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.

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

Au Québec, la technologie d’assainissement des eaux usées municipales la plus répandue est le traitement par étangs aérés. L’augmentation des charges et débits envoyés aux étangs ainsi que les exigences de rejet de plus en plus contraignantes forcent la mise à niveau de nombreux étangs. La présente étude porte sur la capacité de dégradation carbonée et de nitrification simultanée du média fixe inerte autoportant immergé BIONESTMD pour augmenter la capacité de traitement des étangs aérés. Des essais ont été réalisés sur douze unités pilotes alimentées en parallèle par un bassin d’égalisation recevant des eaux usées d’origine domestique brutes municipales. Trois charges surfaciques et trois températures d’opération ont été simultanément testées sur les pilotes. Le média a été mis en place dans des cellules flottantes cylindriques. Des taux de dégradation carbonée de plus de 15 g DBO₅Cs/m².d et 25 g DCOs/m².d ont été obtenus. Avec des efficacités de plus de 90% d’enlèvement, des taux supérieurs de dégradation auraient sans doute pu être obtenus à charge plus élevée. Une influence de la température d’opération sur la dégradation de ces deux paramètres a été observée, notamment pour des températures inférieures à 1°C et des charges surfaciques élevées. Les concentrations de DBO₅C, de DCO et de MES mesurées ont montré une dépendance significative en fonction de la charge surfacique et de la température d’opération appliquées. Il a également été observé qu’une température froide et une charge surfacique élevée favorisent le développement d’un biofilm épais. Cette épaisseur favoriserait le détachement du biofilm et la présence de matières particulaires à l’effluent se traduisant par l’augmentation des concentrations de DBO₅C, de DCO et de MES. Des taux de nitrification de plus de 2 g N-NH₄/m².d ont été mesurés pendant les essais et ce malgré des charges surfaciques en matière organique supérieures à la valeur de 5 g DBO/m².d recommandée dans la littérature pour une dégradation carbonée et une nitrification simultanée. Cette capacité du média BIONESTMD, configuré tel que dans cette étude, pourrait être attribuable au biofilm épais favorisant une surface de biofilm et une diffusion des substrats plus élevées que d’autres types de réacteurs à biomasse fixe. Les résultats ont montré une influence importante de la température sur les taux de nitrification, notamment un phénomène de limitation sous 1°C en fonction de la charge en azote ammoniacal. Les coefficients de température mesurés ont montré une dépendance de la charge et de la température. Des conditions limitantes en oxygène accentuent l’influence de la température sur la nitrification. Une équation permettant de déterminer le taux de nitrification à une charge et une température donnée a été développée et utilisée. / In Quebec, the aerated lagoon process is the most popular technology for municipal wastewater treatment. Flowrate and load increases as well as more stringent effluent requirements will make many lagoon upgrades necessary. This study focuses on organic matter removal and simultaneous nitrification of the inert self-supporting immersed BIONESTTM media to upgrade aerated lagoons. Tests were conducted on twelve parallel pilot units fed by an equalisation tank receiving municipal raw domestic wastewater. Three loads and three temperatures were simultaneously tested on the pilots. The media was placed inside cylindrical floating cells. Organic removal rates above 15 g sCBOD₅/m².d and 25 g sCOD/m².d were obtained. With efficiencies above 90% removal, higher organic removal rates would have probably been obtained if the load had been higher. An influence of temperature on the removal of these two parameters was observed, particularly for temperatures below 1°C and high loads. Measured CBOD₅, COD and TSS concentrations showed a load and temperature dependency. It was also observed that cold temperatures as well as high loading rates promote the development of a thick biofilm. This thickness might favor biofilm detachment and particulate matter in the effluent contributing to increased CBOD₅, COD and TSS concentrations. Nitrification rates above 2 g N-NH₄/m².d were measured during the tests despite organic loads higher than the 5 g BOD/m².d recommended in the literature for simultaneous organic matter removal and nitrification. This treatment capacity of the BIONESTTM media, as configured in this study, may be due to the thick biofilm favoring a higher biofilm surface and higher substrate diffusion than other biofilm reactor technologies. Results showed a strong dependency of nitrification on temperature, especially below 1°C where a limitation related to the ammonia load was observed. Measured temperature coefficients showed a dependency on the load and temperature. The influence of temperature on nitrification kinetics was higher in oxygen-limited conditions. An equation allowing the determination of the nitrification rate as a function of the ammonia loading rate and temperature was developed and applied.

La présence de cations de métaux de transition en grandes concentrations dans les eaux présente des risques pour la santé humaine et pour l'environnement. Une des méthodes les plus utilisées pour les éliminer est la coagulation-floculation. Il s'agit d'une étape essentielle dans la chaîne de traitement des eaux. Cependant, l'utilisation de cette méthode pour traiter une eau de faible turbidité est difficile. Le recours à l'ajout de montmorillonite est d'un grand intérêt dans ce cas, car cela permet d'intensifier le processus de coagulation-floculation. Afin d'améliorer ce processus, l'ajout d'un floculant, non polluant, non toxique et biodégradable, s'avère nécessaire, d'où l'utilisation du chitosane qui joue deux rôles essentiels: il favorise à la fois la floculation et la complexation des cations des métaux de transition. Le présent travail a pour objet d'étudier l'élimination de trois cations de métaux de transition, à savoir le cobalt, le nickel et le cuivre, par coagulation-floculation du système montmorillonite-chitosane. L'élimination des cations métalliques et de la turbidité de l'eau dépend de plusieurs facteurs, dont le pH et le rapport massique (chitosane/montmorillonite). De même, les concentrations de cations, de chitosane et de montmorillonite peuvent, elles aussi, avoir un effet sur l'élimination de ces cations. Étant donné la multitude des facteurs pouvant influencer l'élimination de ces cations par la montmorillonite et par le chitosane, ainsi que la coagulation-floculation du système montmorillonite-chitosane, l'utilisation d'un plan factoriel s'est avérée nécessaire pour surmonter cette difficulté et déterminer les conditions favorables à une élimination optimale des trois cations étudiés. Les résultats obtenus prouvent qu'il peut exister une synergie entre le chitosane et la montmorillonite dans l'élimination des cations métalliques. La montmorillonite, dont l'efficacité a augmenté après modification chimique, et le chitosane ont montré une affinité différente pour chacun des trois cations métalliques. Cette affinité augmente dans l'ordre suivant: CO²⁺ < Ni²⁺ < Cu²⁺ . Une meilleure coagulation-floculation ne donne pas forcément une meilleure élimination des cations métalliques. Ainsi, l'élimination des cations dans une solution contenant 1 à 3 (g/L) de montmorillonite augmente avec l'augmentation du pH entre 3 et 7, tandis que la turbidité minimale est obtenue à un pH = 5,4 et pour un rapport massique (chitosane/montmorillonite) =0,6%. Ces conditions jugées optimales dans le cadre du présent travail peuvent faire l'objet d'une étude ultérieure plus poussée, visant la mise en oeuvre d'une technologie de démétallisation des eaux. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Chitosane, Montmorillonite, Coagulation, Floculation, Cations métalliques, Synergie.

Les usines de traitement des eaux usées ne sont pas prévues pour traiter les polluants émergeants, substances organiques, tels des résidus de médicament, des produits phytosanitaires ou des hormones. Par conséquent, elles sont la source principale d’émission de micropolluants récalcitrants dans l’environnement. La Directive DCE 2000/60/CE demande un "bon statu chimique et biologique” de tous les plans d'eau d'ici 2015. L’objectif principal de cette thèse de doctorat a été d’adopter une méthode respectueuse de l’environnement pour traiter ces polluants. La méthode choisie est basée sur le processus d’oxydation avancée (POA). Elle se base sur la génération par voie solaire, et in situ, d’espèces radicalisées hautement réactives (HO● et/ou SO4-), en se focalisant sur la photocatalyse hétérogène et homogène. Les performances de l'POA ont été évaluées en comparant les taux de dégradation et/ou reminéralisassions des micropolluants. Ce critère a été complété par l'identification des sous-produits, de ses transformations associés et de mesures de toxicité. A cet effet, des tests standards d'écotoxicité ainsi que d'activité oestrogénique ont été réalisés, par la méthode toxicologique ISO ou par le test spécifique inhérent au contrôle de l’activité oestrogénique des eaux usées. Les technologies basées sur les processus d’oxydation avancée par voie solaire peuvent être des méthodes prometteuses de traitement des eaux usées. Toutes les molécules testées sont systématiquement dégradées, même celles présentes à de basses concentrations. La compatibilité environnementale a systématiquement été améliorée. L’irrigation des cultures en réutilisant des eaux usées devient possible. / Wastewater effluents are the major source of micropollutants in the environment. These recalcitrant compounds that can be escape from wastewater treatment plant (WWTP) are called emerging contaminants. It is necessary to improve the efficiency of wastewater treatment plants. In fact, Water Framework Directive required a “good chemical and biological status” of all water bodies until 2015. The major aim of the dissertation was to contribute to improve the evaluation of solar advanced oxidation processes, and more specifically heterogeneous and homogeneous photocatalysis, for removing emerging contaminants from wastewater effluents. In this objective, the efficiency of AOPS was not only evaluated with the degradation and/or mineralization rates of the micropollutants. This necessary criterion was completed with the identification of the by-products and the associated transformation pathways, but also with toxicity measurements. This last point was explored with standard ecotoxicity tests and also estrogenic activity that represent a specific test relevant to characterize an identified risk associated to the discharge of effluents into the environment.All the experimental results obtained during this dissertation tends to demonstrate that solar advanced oxidation processes has the potential to open new feasible remediation strategies for WWTPs effluent tertiary treatment before wastewater reuse in irrigation for instance. All the tested molecules have systematically been degraded, high number of micro-organic pollutants initially presented in a mixture were removed even at very low concentration, environmental compatibility is systematically improved.

La fermentation sombre et les piles à combustible microbiennes (MFC) sont deux technologies émergentes respectivement pour la conversion biologique de l'énergie chimique des composés organiques en hydrogène (H2) et en électricité. En raison des avantages cinétiques et thermodynamiques, la température élevée peut être la clé pour augmenter à la fois la production d'H2 de fermentation sombre et la production d'électricité dans les MFC. Par conséquent, cette thèse se concentre sur la manière dont la température influence la production biologique de H2 et d'électricité à partir d'eaux usées contenant du carbone organique. Deux inocula traités thermiquement (à boues activées fraîches et digérées) ont été comparés pour la production de H2 à partir de xylose à 37, 55 et 70 °C. A la fois à 37 et 55 °C, on obtient un meilleur rendement en H2 par les boues activées fraîches comparé aux boues digérées tandis qu'un très faible rendement en H2 est obtenu par les deux inocula à 70 °C. Ensuite, quatre prétraitements d'inoculum différents (chocs acides, alcalins, thermiques et de congélation) ont été évalués pour créer une efficace communauté productrice de H2 mésophile (37 °C) ou thermophile (55 °C). Les chocs acides et alcalins ont sélectionné des micro-organismes producteurs de H2, appartenant aux Clostridiaceae, au détriment des bactéries produisant du lactate, ce qui a donné respectivement le rendement en H2 le plus élevé à 37 et 55 °C. Bien que le choc thermique ait abouti à un faible rendement en H2 dans un seul lot, il a été montré que la production de H2 par les boues activées fraîches traitées thermiquement augmentait dans l'expérience avec quatre cycles consécutifs. Des boues activées fraîches et traitées thermiquement ont été sélectionnées comme inoculum pour la production continue de H2 à partir d'une eau usée synthétique contenant du xylose dans un réacteur à lit fluidisé (FBR) mésophile (37 °C) et thermophile (55-70 °C, augmenté par étapes). Un rendement en H2 plus élevé a été obtenu dans le FBR thermophile que dans le FBR mésophile. En outre, la production de H2 à 70 °C, qui a échoué dans l'étude précédente, a été couronnée de succès dans le FBR, avec un rendement stable de 1.2 mol H2 mol-1 xylose. La température de fonctionnement de 70 °C s'est également révélée optimale pour la production de H2 à partir d'eaux usées thermomécaniques (TMP) dans un incubateur à gradient de température, car la culture en batch à 70 ° C. Une approche de l'ARN a été utilisée pour étudier la structure et le rôle des communautés microbiennes attachées à l'anode, attachées à la membrane et planctoniques dans un MFC mésophile (37 °C) et thermophile (55 °C) alimenté au xylose. Une communauté anodine dominée par Geobacteraceae a soutenu la production d'électricité à 37 °C, alors que l'établissement de micro-organismes méthanogènes et H2 oxydants a entraîné une faible production d'électricité à 55 °C. Cependant, le développement d'une communauté exoélectrogène thermophile peut être favorisé en appliquant une stratégie de démarrage qui comprend l'imposition d'un potentiel négatif à l'anode et l'inhibition chimique des méthanogènes. Une communauté exoélectrogénique mésophile a également été montré pour produire de l'électricité à partir d'eaux usées de TMP dans un MFC à flux ascendant exploité à 37 °C. En conclusion, une production de H2 plus élevé et plus stable peut être obtenu dans une fermentation sombre thermophile plutôt que mésophile. La fermentation sombre à 70 °C est particulièrement appropriée pour le traitement des eaux usées de TMP car elle est libérée à haute température (50-80 °C) et pourrait être traitée sur site. Les eaux usées de TMP peuvent également être utilisées comme substrat pour la production d'électricité dans les MFC mésophiles. La production d'électricité dans les MFC thermophiles est faisable, mais l'enrichissement des micro-organismes exoélectrogènes thermophiles peut nécessiter une longue période de démarrage / Dark fermentation and microbial fuel cells (MFCs) are two emerging technologies for biological conversion of the chemical energy of organic compounds into hydrogen (H2) and electricity, respectively. Due to kinetic and thermodynamic advantages, high temperature can be the key for increasing both dark fermentative H2 production and electricity production in MFCs. Therefore, this thesis focuses on delineating how temperature influences biological production of H2 and electricity from organic carbon-containing wastewaters. Two heat-treated inocula (fresh and digested activated sludge) were compared, for H2 production from xylose at 37, 55 and 70 °C. At both 37 and 55 °C, a higher H2 yield was achieved by the fresh than digested activated sludge, whereas a very low H2 yield was obtained by both inocula at 70 °C. Then, four different inoculum pretreatments (acidic, alkaline, heat and freezing shocks) were evaluated for creating an efficient mesophilic (37 °C) or thermophilic (55 °C) H2 producing community. Acidic and alkaline shocks selected known H2 producing microorganisms belonging to Clostridiaceae at the expenses of lactate producing bacteria, resulting in the highest H2 yield at 37 and 55 °C, respectively. Although a heat shock resulted in a low H2 yield in a single batch, H2 production by the heat-treated fresh activated sludge was shown to increase in the experiment with four consecutive batch cycles.Heat-treated fresh activated sludge was selected as inoculum for continuous H2 production from a xylose-containing synthetic wastewater in a mesophilic (37 °C) and a thermophilic (55-70 °C, increased stepwise) fluidized bed reactor (FBR). A higher H2 yield was obtained in the thermophilic than in the mesophilic FBR. Furthermore, H2 production at 70 °C, which failed in the earlier batch study, was successful in the FBR, with a stable yield of 1.2 mol H2 mol-1 xyloseadded. Operation temperature of 70 °C was also found optimal for H2 production from thermomechanical pulping (TMP) wastewater in a temperature gradient incubator assay.A RNA approach was used to study the structure and role of the anode-attached, membrane-attached and planktonic microbial communities in a mesophilic (37 °C) and a thermophilic (55 °C) two-chamber, xylose-fed MFC. An anode attached community dominated by Geobacteraceae sustained electricity production at 37 °C, whereas the establishment of methanogenic and H2 oxidizing microorganisms resulted in a low electricity production at 55 °C. However, the development of a thermophilic exoelectrogenic community can be promoted by applying a start-up strategy which includes imposing a negative potential to the anode and chemical inhibition of methanogens. A mesophilic exoelectrogenic community was also shown to produce electricity from TMP wastewater in an upflow MFC operated at 37 °C. In conclusion, a higher and more stable H2 yield can be achieved in thermophilic rather than mesophilic dark fermentation. Dark fermentation at 70 °C is particularly suitable for treatment of TMP wastewater as it is released at high temperature (50-80 °C) and could be treated on site. TMP wastewater can be also used as substrate for electricity production in mesophilic MFCs. Electricity production in thermophilic MFCs is feasible, but enrichment of thermophilic exoelectrogenic microorganisms may require a long start-up period

Le décanteur primaire constitue un élément important du traitement primaire des eaux résiduaires. Cet ouvrage repose sur le principe de décantation par gravité pour l’enlèvement des solides en suspension. L’évaluation du rendement des décanteurs primaires a fait l’objet de nombreuses études théoriques et expérimentales. La performance du décanteur primaire dépend à la fois des propriétés physiques du décanteur (charge superficielle, temps de rétention…etc), et des caractéristiques des particules en suspension (taille, densité et vitesse de sédimentation). La détermination de la vitesse de chute des particules pour une élimination efficace des particules constitue un élément essentiel pour améliorer le rendement des décanteurs primaires. En effet, la caractérisation physique des MeS par son étude expérimentale demeure nécessaire et elle fait l’objet de ce mémoire. Deux aspects principaux ont été abordés : l’applicabilité du protocole ViCAs pour la détermination de la distribution des vitesses de chutes des particules au niveau de l’affluent et l’effluent d’un décanteur primaire et la possibilité d’élaborer un protocole pour la mesure de la distribution de la taille de ces particules. Les résultats obtenus ont permis de déterminer la vitesse de chute médiane V50 des particules des eaux résiduaires. En temps sec, la vitesse moyenne médiane ne varie pas d’une station à une autre. Elle fluctuait entre 0,75 et 0,90 m/h. Par contre, la vitesse de chute V50 est proportionnelle à la concentration de l’eau usée en MeS qui reflète les conditions dans le réseau d’égout, les tests effectués ont montré que cette vitesse peut passer de 0,65 à 4,5 m /h en fonction de la concentration. Pour déterminer la distribution de la taille des particules dans les eaux résiduaires à l’entrée et à la sortie de l’unité de traitement primaire, la technique FBRM (Focused Beam Reflectance Measurement) a été utilisée. Le travail a été réalisé en deux étapes : une première étape était consacrée à mettre en place un protocole de mesure de la taille des particules. Ce protocole doit être approprié à la fois à la technique choisie et à la nature de l’échantillon. La représentativité des résultats dépend du pas de temps et la répétabilité de mesure, la vitesse de mélange de l’échantillon à caractériser, et de la vitesse de balayage des rayons laser. La concentration de l’échantillon influence aussi les résultats et la performance de la technique FBRM. L’élaboration d’un protocole doit donc prendre en considération tous ces paramètres. Une deuxième étape consistait en l’application des deux protocoles sur les mêmes échantillons, donc à caractériser par le protocole ViCAs pour avoir la distribution de la taille et de la vitesse de chute des particules du même échantillon. La distribution de la taille des particules à l’affluent varie grandement d’une station à une autre et dépend également des conditions climatiques comme le temps de pluie. Au niveau de l’effluent, la distribution de la taille des particules varie en fonction de la charge superficielle du décanteur primaire. Les résultats obtenus confirment l’intérêt de l’utilisation du FBRM en parallèle des tests ViCAs pour pouvoir interpréter les courbes de distribution de vitesse de sédimentation d’un site à un autre. Les résultats prouvent l’existence d’une relation entre la vitesse de chute des particules et leur taille. / The primary clarifier is an important element of primary treatment of wastewater. It is based on the principle of gravity settling to remove suspended solids. The evaluation of the performance of primary clarifiers has been the subject of many theoretical and experimental studies. Primary clarifier performance depends on both the physical properties of the clarifier (hydraulic retention time, etc.), and characteristics of the suspended particles (size, density and settling velocity). Determining the velocity of particles is a key element to improve the performance of primary clarifiers. Indeed, the physical characterization of TSS by experimental study remains necessary and is the subject of this thesis. Two main aspects were considered: the applicability of the ViCAs protocol for the determination of the distribution of the particle settling velocity at the influent and effluent of the primary clarifier and the possibility to develop a protocol for measuring the size distribution of these particles. The results were used to determine the median settling rate of wastewater particles V50. In dry weather, V50 does not vary from one station to another. It fluctuated between 0.75 and 0.9 m /h. On the other side, V50 is proportional to the TSS concentration of the wastewater, which reflects the conditions in the sewer, ranging from 0.65 to 4.5 m / h. To determine the size distribution of the particles in the wastewater at the inlet and at the outlet of the primary clarifier, the FBRM technique (Focused Beam Reflectance Measurement) was used. The work was carried out in two steps: the first step was devoted to develop a protocol for measuring the particle size distribution. This protocol should be appropriate to both the technique used and the nature of the sample. The representativeness of the particle size depends on the cycle time and the repeatability of measurement depends on the mixing rate of the sample and the scanning speed of the laser beam. Also, the concentration of the sample influences the results and the performance of the FBRM technique. So, the protocol must take in account all these parameters when selecting the suitable measurement conditions. The second step consisted in applying the two protocols to the same samples, the settling velocity of particles with ViCAs and the particle size distribution with FBRM. The particle size distribution varies greatly from one wastewater treatment plant to another. It also depends on weather conditions such as rain. For effluent, the distribution of size of the particles varies depending on the hydraulic load of the primary clarifier. The results confirm the interest of using FBRM and ViCAs tests to interpret particle settling velocity distributions from one site to another. The results show the existence of a relationship between the settling velocity and particle size.

Les avantages de la gestion intégrée de l'eau sont connus depuis des années, mais ces approches sont devenues plus importantes que jamais. Cela est reconnu dans l'objectif 6 des 17 objectifs de développement durable des Nations Unies. En ciblant à la fois l'eau potable et l'assainissement, cet objectif demande une approche intégrée car il reconnaît leur interdépendance. Cette thèse vise à faire progresser le domaine de la modélisation intégrée de l'eau, et en particulier en ce qui concerne les matières en suspension. Les émissions globales de l'assainissement ont gagné en intérêt puisque les normes de qualité de l'eau sont étendues de la station de récupération des ressources de l'eau au réseau d'égout. La modélisation intégrée permet d'évaluer les interactions et d'estimer les émissions en plus des mesures de la qualité de l'eau (encore) rares. Les particules peuvent être considérées comme un indicateur de la qualité de l'eau couvrant la pollution particulaire, mais aussi les matières organiques, les nutriments et les substances telles que les micro-polluants hydrophobes. L'approche de modélisation choisie est conceptuelle, pour ses calculs rapides, et basée sur la distribution de la vitesse de décantation des particules, partout où la décantation et la remise en suspension sont les processus caractéristiques. L'approche est complétée par d'autres modèles pour couvrir le système du bassin versant jusqu'à la station de récupération des ressources de l'eau. Un modèle intégré nécessite de nombreuses données. Pour une collecte de données efficace, premièrement, une procédure est établie pour construire un modèle conceptuel d'égout à partir d'un modèle hydraulique détaillé. Deuxièmement, une méthodologie de conception expérimentale optimale est adaptée à l'environnement complexe des égouts pour une campagne de mesure de la qualité de l'eau. L'utilité de l'approche de la distribution de la vitesse de décantation des particules est ensuite démontrée en calibrant et en validant le modèle pour une site pilote. Une procédure est élaborée pour tenir compte de l'incertitude des paramètres et de la variabilité des données d'entrée an d'identifier des points de contrôle ables. La procédure est utilisée pour la réduction d'émission des particules, facilitée par le calcul rapide du modèle car plusieurs analyses de sensibilité sont demandées. Le dernier chapitre termine la thèse par l'évaluation pratique des stratégies visant à réduire les émissions globales. La thèse fait ainsi progresser le domaine de la modélisation intégrée des particules et fournit en même temps des procédures qui permettent de surmonter les obstacles généraux à la modélisation en mettant l'accent sur la collecte de données fiables et efficaces, la modélisation ainsi que l'optimisation. / The advantages of integrated water management have been known for decades, but are more than ever important. This is acknowledged in goal six of the 17 sustainable development goals of the United Nations. By targeting both clean water as well as sanitation, this goal is inherently asking for an integrated approach since it recognizes their interdependence. This dissertation aims at advancing the eld of integrated water systems modelling in general, and in particular with respect to suspended solids. Overall emissions from the integratedurban wastewater system have gained interest since water quality standards are increasing lyextended from the water resource recovery facility to the sewer system. Integrated modelling allows evaluating interactions and estimating overall emissions complementary to the not (yet) abundant water quality measurements. For this evaluation suspended solids can be seen asan indicator for the receiving water quality covering particulate pollution as such, but also undesired organic matter, nutrients and substances such as hydrophobic micropollutants. The modelling approach chosen is conceptual, due to its rapid calculations, and based on the particle settling velocity distribution wherever settling and resuspension are the characteristic processes of suspended solids. The approach is extended with complementary models to coverthe integrated system from the catchment down to the water resource recovery facility. The development of an integrated model however requires vast data sets. First, for efficient data collection a procedure is established to build a fast conceptual sewer model from its detailed hydraulic counter part. Second, an optimal experimental design methodology is adapted to the challenging sewer environment for the efficient planning of a water quality measurement campaign. The usability of the particle settling velocity approach is then shown by calibrating and validating the model for a case study. A procedure is developed to consider parameter uncertainty and input variability to identify reliable control handles. The procedure is appliedfor the abatement of total suspended solid, facilitated by the comparably low computational demand of the model, as the procedure asks for multiple global sensitivity analyses. The last chapter closes the dissertation with the practical application of evaluating different strategies to reduce the total suspended emissions to the receiving water. The dissertation thus advances the eld of integrated modelling for particulates and at the same time provides procedures which overcome barriers general to modelling focusing on reliable and efficient data collection,as well as optimization.

L’augmentation rapide de la population mondiale et des pratiques industrielles et agricoles ont exacerbé l’épuisement des nutriments essentiels pour la croissance des plantes, phosphore en particulier, étant lui-même une ressource nonrenouvelable. Après des années d’exploitation agricoles et miniers écologiquement laxistes, la société se trouve coincée entre une pénurie croissante d'éléments nutritifs et la fréquence croissante de proliférations d'algues nuisibles (HAB) causées par la lixiviation de phosphore dans les systèmes aquatiques. Toutefois, ceci présente une opportunité de développer des nouvelles technologies permettant d'éliminer, de récupérer et de réutiliser le phosphore provenant de cours d'eau pollués. L'une de ces technologies est l'adsorption nano-renforcée. Cette étude a évalué le potentiel de désorber le phosphore d'une résine échangeuse d'ions hybridée avec des nanoparticules d'oxyde de fer pour quatre solutions de régénérations différentes en utilisant une approche de plan d’expériences. Des nouvelles solutions de régénération utilisant un mélange KOH / K2SO4 et une solution alcaline de NH4OH se sont révélées comparables à la solution "témoin" de KOH et de H2SO4. Parmi les 4 méthodes de régénération étudiées, la solution de NH4OH présente le potentiel le plus élevé car il s’agit d’un déchet valorisé. Son efficacité de désorption est comparable à celle de la solution de contrôle et elle n’a démontré aucune perte de la longévité de la résine après cinq cycles d’adsorption et de désorption. Sur la base des données du plan d’expériences, une série de modèles de régression a été développée pour permettre de mieux comprendre la concentration de phosphore attendue d'un processus de régénération, en tenant compte de la chimie de régénération, du volume de traitement, de la vitesse de rinçage et de la résistance de la solution alcaline. Les solutions de post-désorption de régénération riches en nutriments semblent prometteuses pour une utilisation ultérieure. Les travaux futurs devraient inclure le développement de modèles de procédé afin de mieux comprendre les mécanismes de cette désorption. Dans l’ensemble, la technologie d’adsorption nano-améliorée offre une solution rentable et durable au problème du phosphore dans les applications de traitement des eaux usées à travers le monde. / Rapid increases in the world’s population and to-date industrial and agricultural practices have exacerbated the depletion of essential nutrients in today’s society. After years of environmentally lax agricultural and mining processes, society finds itself trapped between increasing nutrient shortage and the increased frequency of harmful algal blooms (HABs) caused by phosphorus leaching into water systems. New technologies that allow for removal and subsequent recovery and reuse of phosphorus from polluted streams is imperative. One such technology is nanoenhanced adsorption, which may allow to produce a valuable nutrient-rich solution upon desorption of the saturated media. This study evaluated the potential of four regeneration chemistries to desorb phosphorus from a commercially available ion exchange resin hybridized with iron-oxide nanoparticles using a Design of Experiments (DoE) approach. Novel regeneration solutions using a KOH/K2SO4 blend and a recovered NH4OH alkaline solution proved to be comparable to the "control" solution of KOH and H2SO4. Among the four regeneration methods studied, using the NH4OH solution shows the highest potential because: i) it is a valorized waste stream, ii) it showed a desorption efficiency comparable to the control solution, and iii) it did not demonstrate any dampening of the resin longevity after five adsorption and desorption cycles. Based on the DoE data, a series of regression models was developed to generate understanding with regard to expected phosphorus concentration from a regeneration process considering the regeneration chemistry, the treatment volume, the rinse speed, and the strength of the alkaline solution. Nutrient-rich regeneration solutions post-desorption show promising for subsequent use as hydroponic fertilizers or precursors for the P fertilizer industry. Future work should include the development of mechanistic process models to gain an even better understanding of the mechanics behind the desorption. Overall, the nano-enhanced adsorptive technology proposes a cost-effective and sustainable solution to the phosphorus problem in wastewater treatment applications across the globe.

Les travailleurs des centres de traitement des eaux usées sont souvent atteints de maladies reliées à l’exposition virale telles que le rhume, la grippe et les infections gastro-intestinales. Dans la littérature, plusieurs études ont caractérisé les bactéries présentes dans les eaux usées ainsi que les bactéries dans les aérosols de ces centres de traitement. Les virus dans les eaux usées ont aussi été dans la mire de certaines études. Cependant, malgré le fait que les maladies affectant les travailleurs soient majoritairement de cause virale et que certains virus pathogènes aient été démontrés pour être capables de se transmettre par l’air, seule une minime quantité d’études a décrit jusqu’à présent les aérosols viraux de ces environnements. Qu’en est-il des virus aérosolisés qui peuvent provoquer ces maladies chez les travailleurs? Auxquels virus potentiellement pathogènes les travailleurs sont-ils exposés chaque jour dans ces environnements de travail? Cette étude avait pour but d’échantillonner l’air de quatre centres de traitement des eaux usées à l’aide de différents échantillonneurs pour décrire la communauté virale dans les aérosols et, ultimement, d’identifier les virus aérosolisés qui peuvent mettre en danger la santé des travailleurs. Onze virus ont été sélectionnés en fonction de leur présence dans les eaux usées et quantifiés de manière spécifique par une technique de biologie moléculaire appelée qPCR. De plus, une étude métagénomique a été effectuée sur des échantillons d’air de très grands volumes dans l’une des usines à l’étude afin de caractériser les communautés virales totales présentes dans l’air des centres de traitement. Les échantillons d’air ont été pris à deux reprises dans chaque centre, une fois durant la saison d’été et une fois durant la saison d’hiver afin de déterminer l’effet de la température de l’eau sur le type de virus aérosolisés. / Wastewater treatment center (WTCs) workers may be vulnerable to diseases caused by viruses, such as the common cold, influenza and gastro-intestinal infections. Although there is a substantial body of literature characterizing the microbial community found in wastewater, only a few studies have characterized the viral component of WTC aerosols, despite the fact that most diseases affecting WTC workers are of viral origin and that some of these viruses are transmitted through the air. In this study, we evaluated in four WTCs the presence of 11 viral pathogens of particular concern in this milieu and used a metagenomic approach to characterize the total viral community in the air of one of those WTCs. The presence of viruses in aerosols in different locations of individual WTCs was evaluated and the results obtained with four commonly used air samplers were compared. We detected four of the eleven viruses tested, including human adenovirus (hAdV), rotavirus, hepatitis A virus (HAV) and Herpes Simplex virus type 1 (HSV1). The results of the metagenomic assay uncovered very few viral RNA sequences in WTC aerosols, however sequences from human DNA viruses were in much greater relative abundance.