Les marais filtrants artificiels (MFA) forment un système biologique et passif de traitement des eaux usées constituant une alternative durable aux traitements conventionnels des effluents de cultures en serre. La performance des MFAs à réduire la charge polluante des effluents de culture et l’émission de gaz à effet de serre est étroitement liée aux communautés microbiennes. Afin d’optimiser l’activité biologique des MFAs et par conséquent leur performance, l’enrichissement en biochar des substrats filtrants pourrait constituer une avenue prometteuse. Le biochar, produit de la pyrolyse de la biomasse, est utilisé comme amendement pour les sols. Toutefois, les conséquences de son utilisation dans les systèmes d’épuration des eaux usées comme les MFAs sont peu connues jusqu’à nos jours. Les objectifs de cette thèse étaient donc de : (1) évaluer l’effet d’un biochar sur la diversité et l’activité des microorganismes dans les MFAs ; (2) évaluer l’effet du biochar sur l’efficacité des MFAs à réduire la charge en pesticides dans les effluents de cultures ; (3) évaluer l’effet du biochar sur les microorganismes des MFAs en présence de pesticides, et finalement (4) évaluer l’effet de l’utilisation de l’eau traitée par les MFAs comme eau d’irrigation sur la croissance des plantes et la diversité microbienne de la rhizosphère d’une culture de tomate. Les résultats obtenus ont démontré que le biochar n’a pas eu un effet majeur sur la composition des populations bactériennes dans les substrats et les effluents des marais. Toutefois, le biochar a affecté le taux d’expression de plusieurs gènes clés impliqués dans le fonctionnement des MFAs incluant ceux contrôlant le dégagement des gaz à effet de serre. Par ailleurs, l’utilisation des eaux traitées par les MFAs comme eau d’irrigation n’a pas affecté le développement des plantes de tomate. Au contraire, des bactéries connues pour leur stimulation de la croissance des plantes comme Flavobacterium, Rhizobium, Azospirillum et Pseudomonas ont été détectées en abondance. Finalement, en présence de pesticides, le biochar a exercé un effet protecteur sur les communautés microbiennes des MFAs permettant ainsi de maintenir leur performance à réduire les charges polluantes dans les effluents de serre. Toutefois, l’effet du biochar sur la capacité des marais à réduire la concentration des pesticides a été spécifique au type de pesticide. Ces travaux suggèrent que l’amendement des MFAs avec du biochar peut être une pratique utile pour améliorer et optimiser le fonctionnement des MFAs en atténuant certains de leurs inconvénients comme le dégagement des gaz à effet de serre. Ils ont démontré également la faisabilité et l’importance de la valorisation des eaux traitées par les MFAs. / Recently, the use of constructed wetlands (CWs), which form a biological and passive system of wastewater treatment, has been proposed as an alternative to conventional treatments of greenhouse effluents. The performance of CWs can be improved by the enrichment of their substrates with various products affecting their microbial communities, thus reducing the impact of some related problems such as the release of greenhouse gases. Biochar, which is the product of biomass pyrolysis, is used as an amendment in the soil. However, the consequences of its use with substrates in wastewater treatment systems such as CWs are little known until today. The objectives of this thesis were (1) to evaluate the effect of a biochar on the diversity and activity of microorganisms in CWs, (2) to evaluate the effect of biochar on the efficiency of CWs to reduce pesticides in greenhouse effluents, (3) to evaluate the effect of biochar on microorganisms in CWs in the presence of pesticides, and finally (4) to assess the effect of using water treated in CWs as irrigation water on tomato growth and rhizosphere microbial diversity. The obtained results demonstrated that biochar did not have a major effect on the composition of bacterial populations in CWs substrates and effluents. However, biochar affected the expression rate of several key genes in CWs functioning, including those involved in the release of greenhouse gases. Also, the use of CWs s treated waters to grow tomato plants in hydroponic crops did not present any physiological or microbiological risk to tomato plants. In fact, plant growth-promoting bacteria such as Flavobacterium, Rhizobium, Azospirillum and Pseudomonas were detected in abundance in the rhizosphere of tomato plants. Finally, in the presence of pesticides, biochar showed a protective effect on the microbial communities of CWs and thus makes it possible to maintain CWs performance in reducing pollutant loads in greenhouse effluents. However, the effect of biochar on CWs performance in reducing pesticides is specific to the type of pesticide. This work highlights the utility of biochar in improving the functioning of CWs and in circumventing some of their disadvantages such as the release of greenhouse gases. The feasibility and the importance of the valorization of water treated by CWs was also demonstrated.

Une grande proportion des patients atteints de cancer sont traités avec des médicaments à base de platine. L'un de ces principaux médicaments, le cisplatine, est injecté par voie intraveineuse chez les patients. Ensuite, une grande majorité de ces molécules sont excrétées par l'urine. Cette molécule, qui a un impact toxicologique sur l'environnement, se retrouve dans les eaux usées. Les effluents hospitaliers représentent la seconde source de métaux du groupe platine dans les eaux usées des municipalités. La technologie plasma à décharge à barrière diélectrique (DBD) développée dans ce projet peut être adaptée à la récupération des métaux précieux. L'hypothèse du projet est qu'un réacteur plasma DBD permettrait de récupérer le platine provenant du cisplatine contenu dans les effluents hospitaliers pour ainsi réduire l'empreinte environnementale des rejets. Dans le cadre de ce projet, nous avons développé une procédure plasma pour extraire le platine des eaux usées produites par les cliniques d'oncologie. Les caractéristiques du plasma DBD ont été mesurées. Ces paramètres du plasma permettront de comprendre les interactions entre le plasma et le liquide qui sont à l'origine de la dégradation du cisplatine. L'approche inactive les molécules et convertit le platine en nanoparticules. Les nanoparticules de platine obtenues ont été caractérisées par différentes techniques : microscopie électronique à transmission (MET), analyses physico-chimiques (XPS, EDX, UV-vis) et analyse élémentaire (MP-AES). Ce projet a permis de révéler le potentiel des traitements par plasma pour l'élimination du cisplatine des effluents hospitaliers et la récupération de ce métal précieux. / A large fraction of cancer patients are treated with platinum-based drugs, and cisplatin is one of the main widely used molecules. It is injected intravenously into patients. Then, a majority of these molecules are excreted by the urine. Cisplatin, which has a toxicological and carcinogenic impact on the environment, is found in wastewater. In fact, hospital effluents are the second largest source of platinum metal in municipal wastewater. Technologies such as dielectric barrier discharge (DBD) atmospheric pressure plasmas can be adapted to recover precious metals from wastewaters. The hypothesis of this project is that a DBD plasma reactor could be used to recover platinum contained in the cisplatin eliminated in the hospital effluents. This would reduce the environmental footprint of the hospital effluents. In this project, we have developed a plasma technology and procedure to extract platinum from the hospital's wastewater. The plasma produced by the DBD system was characterised to better understand the interactions between the plasma and the liquid, leading to the degradation of cisplatin. The approach inactivates the molecules and converts platinum into nanoparticles. The resulting platinum nanoparticles were characterized by different techniques: transmission electron microscopy (TEM), physico-chemical analysis (XPS, EDX, UV-vis) and elementary analysis (MP-AES). This project has contributed to quantify the potential of plasma treatments for the elimination of cisplatin found in the hospital effluents and the recovery of this precious metal.

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.

En quantité excessive, le phosphore est responsable de l’eutrophisation des plans d’eau. De ce fait, les normes de rejet du phosphore des eaux usées municipales font l’objet d’un resserrement. Des travaux ont porté sur la mise au point d’un procédé de capture passive de phosphore caractérisé par des biofiltres dotés de média actif à base de bois imprégné par l’hydroxyde de fer. L’abattement de phosphore se fait par le mécanisme de sorption qui regroupe l’adsorption, la dissolution réductive et les échanges d’ions. Le présent mémoire s’inscrit dans la continuité des travaux sus-cités. L’objectif est d’évaluer l’influence des nitrates sur la performance d’enlèvement du phosphore. Des essais en colonne ont été réalisés à partir d’une broyure activée opérée en anaérobie et par immersion sur une période de 150 jours. Les colonnes ont été alimentées durant 30 jours par une solution synthétique dopée à 5 mg P/L. Différentes concentrations de nitrates (5, 10 et 25 mg N-NO₃/L) ont ensuite été appliquées sur trois colonnes (C₂, C₃ et C₄), la colonne C₁ servant de témoin. Les résultats ont démontré que l’addition des nitrates réduit les performances d’enlèvement du phosphore des biofiltres. Le suivi du phosphore montre que la concentration en P à la sortie des biofiltres dépasse l’objectif de 0.3 mg P/L, 30 jours après l’injection des nitrates pour la colonne C₂ et 15 jours après pour les colonnes C₃ et C₄. L’ajout des nitrates augmente le potentiel d’oxydoréduction. Il en résulte une inhibition de la dissolution réductive, caractérisée par une baisse de production des ions ferreux. Une dénitrification simultanée se produit au sein des colonnes. Elle est à la fois biologique et chimique à travers l’oxydation des ions ferreux par NO₂, produit lors de la dénitrification biologique. Par ailleurs, des tests d’identification bactérienne ont mis en évidence la présence des bactéries reliées au fer, dénitrifiantes, sulfo-oxydantes, réductrices de sulfate, productrices de biofilm ainsi qu’une variété de micro-organismes hétérotrophes tels que les Pseudomonas et les bactéries entériques dans les biofiltres. / In excessive quantities, phosphorus is responsible for eutrophication of water surfaces. Thereby, phosphorus discharge standards for municipal wastewater are subject to a tightening. Researches have focused on the development of a passive phosphorus entrapment process characterized by biofilters with active wood-based media impregnated with iron hydroxide. Phosphorus removal is done by sorption which includes adsorption, reductive dissolution and exchange of ions. This MSc thesis is a continuation of the abovementioned studies. The objective is to evaluate the influence of nitrates on the phosphorus removal performance. Columns tests were performed with anaerobic activated wood-based media and immersion over a period of 150 days. Columns were fed for 30 days with a synthetic solution of 5 mg P/L. Different concentrations of nitrate (5, 10 and 25 mg N-NO₃/L) were then applied on three columns (C₂, C₃ and C₄), column C₁ serving as a control. The results demonstrate that the addition of nitrate reduces the phosphorus removal performance of biofilters. Phosphorus tracking shows that the concentration of P at the outlet of the biofilters exceeds the target of 0.3 mg P/L, 30 days after nitrate injection started for column C₂ and 15 days later for columns C₃ and C₄. Addition of nitrate increases the oxidoreduction potential. This results in an inhibition of the reductive dissolution, characterized by a decrease in the release of ferrous ions. Simultaneous denitrification occurs within the columns. It is both biological and chemical through the oxidation of ferrous ions by NO₂, produced during biological denitrification. Furthermore, bacterial identification tests have highlighted the presence of iron-related bacteria, denitrifying bacteria, sulfur oxidizing bacteria, sulfate reducing bacteria, biofilmproducing bacteria and a variety of heterotrophic microorganisms such as Pseudomonas and enteric bacteria in biofilters.

Ce projet vise à améliorer l’efficacité des marais à éliminer les éléments minéraux présents dans les effluents provenant de cultures de tomates hors sol. Selon nos résultats, les ssh végétalisés de Typha latifolia et combinés avec un apport en carbone ont rendu plus efficace le traitement des effluents de cultures en serre. De plus, parmi les trois types de marais à l’étude (ssh, ssv et sh), les ssh semblent être les mieux adaptés pour traiter des effluents très chargés en éléments minéraux. Toutefois, les émissions de GES ne sont pas à négliger dans les ssh. Afin d’accroître la performance de traitement en terme de charge polluante ionique, des marais en série devraient être utilisés. Selon l’un de nos essais, le traitement des effluents par trois ssv en série a éliminé efficacement les différents minéraux en dessous de la limite permise au Québec.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Dans le cadre de ce mémoire, les méthodologies de l’analyse de cycle de vie (ACV) et de l’analyse du cycle de coûts (ACC) sont appliquées à un système d’épuration des eaux usées municipales (STEP) afin de réaliser une évaluation intégrée du profil environnemental et économique du système. Suite à la revue de la littérature des ACVs portant sur des STEPs, des limitations ont été décelées en ce qui a trait à la définition de la fonction du système lors de la première étape de la réalisation de l’ACV. Les limitations dénotées ont mené au développement d’une méthodologie reposant sur le concept de bénéfice environnemental net (BEN) afin d’y pallier. La mise en application du concept de BEN requiert de réaliser des ACVs afin d’évaluer les impacts environnementaux potentiels évités et induits par l’épuration des eaux. Les impacts évités correspondent alors à la différence d’impacts potentiels entre un scénario hypothétique de rejet des eaux usées brutes et un scénario de rejet des eaux usées épurées par la STEP. Les impacts induits correspondent aux impacts générés par le cycle de vie du système d’épuration. Il est à noter que la présentation du concept de BEN ainsi que son application à une l’étude de cas font l’objet d’une publication (Godin et coll., 2012). Les méthodologies du BEN et de l’ACC sont appliquées à l’étude de cas d’un système d’épuration constitué d’étangs aérés facultatifs. Des inventaires des charges des polluants de l’affluent et de l’effluent de la STEP sont compilés afin d’évaluer les impacts potentiels évités en considérant les charges en matières organiques, en nutriments et en métaux lourds ainsi qu’en estimant les émissions potentielles de gaz à effet de serre des rejets directs de matière organique et d’azote au milieu récepteur. Les inventaires de caractérisation des impacts du cycle de vie du système incluent la phase de construction, l’opération ainsi que l’évaluation des impacts induits par une disposition des boues par épandage sur sol agricole et sur sol forestier. L’ACVI réalisée en ayant recours à la méthode ReCiPe et en mettant de l’avant le concept de BEN permet de constater le compromis environnemental fourni par le système d’épuration. L’évaluation comparée de l’ACC et de l’ACV du cycle de vie du système permet d’évaluer la contribution relative des différents éléments du cycle de vie sous les aspects environnementaux et économiques. La comparaison des variantes de disposition des boues permet, quant à elle, de comparer les effets sur les catégories d’impacts potentiels liées à la toxicité du choix du milieu récepteur des boues. L’application de la méthodologie du BEN lors de la réalisation d’ACV portant sur des STEPs permet de définir plus clairement la fonction principale de la STEP et permet d’éviter de considérer la STEP comme une source majeure de pollution. Elle fait de plus ressortir le manque de suivi des eaux usées en ce qui a trait à l’affluent ainsi qu’aux micropolluants. / Life cycle assessment (LCA) and life cycle costing (LCC) methodologies are applied to a municipal wastewater treatment plant (WWTP) in order to conduct an integrated environmental and economic assessment of the system. A Literature review showed that the system function definition has received little attention despite its great importance in past LCA studies applied to wastewater treatment plants (WWTPs). This has led to some limitations in the interpretation of LCA results. A new methodology to perform LCA on WWTPs is proposed to avoid those limitations. It is based on net environmental benefit (NEB) evaluation and requires assessing the potential impact of releasing wastewater without and with treatment besides assessing the impact of the WWTP’s life cycle. Interested readers can find a presentation of the NEB methodology and its application to a case study of a small municipal WWTP consisting of facultative aerated lagoons in Godin et al., (2012). This thesis presents the life cycle inventories (LCI) conducted to perform the LCAs required to estimate the NEB and also shows the inventory and results of the LCC performed on the case study. LCIs include wastewater characterization (i.e. organic matter, phosphorus, nitrogen and heavy metals load), potential greenhouse gas emissions, WWTP construction and operation inventories including sludge removal and disposal. Life cycle impact assessment (LCIA) was conducted using the ReCiPe impact assessment method. LCIA and LCC results allow comparing the relative contribution to environmental potential impacts and economic cost of the life cycle steps of the WWTP. The NEB allows showing the environmental trade-offs between avoided impact due to wastewater treatment and induced impact by the WWTP’s life cycle.

Le traitement des eaux usées par étangs aérés facultatifs est la méthode de traitement la plus répandue au Québec. Depuis l’adoption du ROMAEU (Règlement sur les ouvrages municipaux d’assainissement des eaux usées), plusieurs municipalités doivent faire une mise à niveau de leur station de traitement pour se conformer aux nouvelles normes de rejet, soit une concentration à l’effluent en MeS de 25 mg/L ainsi qu’une concentration en DBO5C de 25 mg/L. De plus, plusieurs stations ont, à ce jour, atteint leur vie utile et/ou leurs charges hydraulique ou organique sont dépassées. Ainsi, pour augmenter la capacité des étangs, quelques solutions ont été développées, dont le système KAMAKMC conçu par la compagnie Bionest, qui consiste en deux réacteurs à milieu fixe insérés dans un étang entre trois zones de décantation. Peu de données sont actuellement disponibles pour assurer une compréhension approfondie de ce procédé et de ses sous-systèmes. La présente étude consiste donc en l’analyse du comportement des boues au sein de cette nouvelle filière de traitement, principalement dans les zones de décantation. L’étude a été réalisée sur un système KAMAKMC installé dans le premier tiers de l’étang aéré de Grandes-Piles, en Mauricie. Le suivi de l’accumulation de boues a été effectué de mai 2016 à mai 2017 inclusivement, à raison d’une fois par mois. Les mesures ont été prises à l’aide d’une jauge à boues à différents points dans les zones de clarification. À titre de comparaison, des mesures avec un sonar ont été effectuées 3 fois durant la période du suivi (avril et octobre 2016 ainsi qu’en mai 2017). En parallèle aux mesures de hauteurs de boues, un échantillonnage a été effectué pour faire certaines analyses, dont les solides totaux (ST) et les solides totaux volatils (STV). De plus, une mesure de gaz in situ ainsi qu’en laboratoire ont été réalisées pendant la période estivale permettant de mieux caractériser la digestion anaérobie survenant dans ces zones de décantation. La température de l’eau durant la période de suivi a varié entre approximativement 2 °C et 22°C. Les taux d’accumulation trouvés pour Cl2 et Cl3 sont respectivement de 0,05m3an-1hab-1 et de 0,06m3an-1hab-1 . Par contre, la première zone de décantation possède un taux d’accumulation de boues annuel de 0. Cela suggère que l’aération fournie dans Cl1 limite l’accumulation de boues à 0,6m et que les solides primaires se déplacent vers Cl2 et Cl3. À partir du ratio STV/ST, il a été possible de remarquer qu’en température froide, le ratio était plus élevé dans les zones de décantation, tandis qu’en température chaude ce ratio était diminué. Pour la récolte de gaz in situ, des valeurs de 18 LCH4m-2d -1 et 4 LCH4m-2d -1 ont été trouvées dans ces deux zones et ils étaient composés de 62,8% de méthane en moyenne et 1,4% de CO2. Le peu de gaz carbonique est probablement attribuable à une solubilisation du gaz dans l’eau sous-jacente au montage de récolte de gaz. / In Quebec, wastewaters are mostly treated with aerated facultative lagoons. Since the adoption of the Regulation respecting municipal wastewater treatment works, many municipalities need to upgrade and improve their wastewater treatment station to comply with the new requirements, which are a concentration of suspended solids (SS) less than or equal to 25 mg/L and a concentration of the 5-day carbonaceous biochemical oxygen demand (CBOD5) less than or equal to 25 mg/L. Moreover, many stations have arrived at the end of their operating life expectancy and other stations have even exceeded their organic loads or flowrate loads. One solution that would help these municipalities would be to improve these stations with the new KAMAKMC technology developed by Bionest. This new technology incorporates two reactors containing BIONEST® inert media placed directly in a lagoon, between three clarification zones. At this time, there is a lack of technical data to ensure a good understanding of the KAMAKMC system. The aim of the present study is to characterize sludge accumulations in this new technology, especially in the clarification zones. Tests were conducted with a KAMAKMC system installed in the first third of an aerated lagoon belonging to the municipality of Grandes-Piles, in province of Québec. Between May 2016 and May 2017, measurements of sludge accumulations are taken monthly with a sludge judge in the clarification zones. To compare these measurements, sonar testing is taken 3 times during the year (April and October 2016 and May 2017). Sludge samples are taken during the year to measure total suspended solids (TSS) and volatile suspended solids (VSS). Moreover, gas sampling equipment sits over the lagoon to retrieve samples during the summer months of 2016, to allow a better characterization of anaerobic digestion in the zones. Water temperature during this follow up was between 2°C and 22°C. The sludge accumulation rate in the second and the third clarification zones were 0,05m3y -1hab-1 et de 0,06m3y -1hab-1 . In fact, the first clarification zone had a sludge accumulation rate of 0. This indicates that aeration in the first zone was high, restraining the sludge accumulation to a value of 0,6m and that primary solids were probably displaced in the next two clarification zone due to excessive aeration. The VSS/TSS ratio indicates that in cold temperature, the ratio was constant in every zone, while during the summer months a lower ratio was observed. Values of 18 LCH4m-2d -1 and 4 LCH4m2d -1 in Cl2 and Cl3 were found with the gas collector on the lagoon. Average methane concentrations in the gas collector were 62,8% and 1,4% of CO2. The low percentage of CO2 might be caused by the gas solubilization in the water.