L'utilisation des microalgues dans le traitement des eaux usées est de plus en plus étudiée pour intégrer/remplacer les systèmes de traitement actuels permettant d'éliminer les nutriments et autres polluants. Cependant, l’utilisation des microalgues dans le traitement des eaux usées en est principalement au stade de la recherche, par exemple faible élimination des nutriments et croissance de la biomasse des microalgues. Le but de cette thèse était de permettre une élimination efficace des éléments nutritifs et de la matière organique des eaux usées par les microalgues tout en favorisant la production de biomasse de microalgues. C. vulgaris et S. acuminatus ont été cultivés dans des photobioréacteurs discontinus avec des digestats issus de la digestion anaérobie (AD) de boues biologiques de boue de vidange provenant d’une station d’épuration municipale (ADMW) et d’une usine de traitement des eaux usées d’une usine de pâtes et papiers (ADPP). Les rendements d’élimination de l’ammonium étaient supérieurs à 97% lorsque les deux microalgues étaient cultivées séparément dans de l’ADPP. Toutefois, 24 et 44% de l’ammonium ont été retirés de l’ADMW par C. vulgaris et S. acuminatus, respectivement. Les deux microalgues ont efficacement éliminé le phosphate (> 96%), tandis que la couleur (74–80%) et la DCO soluble (27–39%) ont été partiellement éliminées de ADMW et d'ADPP. La plus forte concentration de biomasse de S. acuminatus (7,8 à 10,8 g L-1 VSS) dans l'ADPP figure parmi les rendements les plus élevés signalés pour les microalgues dans les eaux usées réelles. Des rendements de biomasse supérieurs de S. acuminatus ont été obtenus dans de l'ADPP thermophile (10,2 ± 2,2 et 10,8 ± 1,2 g L-1) par rapport à de l'ADPP mésophile prétraité (7,8 ± 0,3 g L-1). En outre, les concentrations les plus élevées en biomasse et en méthane de microalgues ont été obtenues dans le même système intégré de culture de AD et de microalgues. Les concentrations de fer (0,1, 1,0 et 1,9 mg L-1) et de sulfure de soufre (3,7, 20 et 35,8 mg L-1) affectaient davantage l'efficacité de l'élimination de l'azote et la concentration de la biomasse de microalgues davantage dans les ammonium probablement dû à différents mécanismes d'assimilation de microalgues. Dans cette étude, le milieu contenant du nitrate comme source d'azote avec 1,0 mg de L-1 de fer et 35,8 mg de L-1 de sulfate et de soufre a permis d'obtenir la plus forte concentration de biomasse de microalgues. L'effet de la concentration en fer sur l'efficacité d'élimination des nitrates et la croissance des microalgues était plus significatif que la concentration en sulfate, alors que l'effet d'interaction entre le sulfate et le fer n'était pas observé. L'efficacité moyenne d'élimination de l'ammonium (14 à 30%) et la concentration en biomasse de microalgues (0,55 à 1,17 g de POC L-1) dans un photobioréacteur à membrane à flux continu ont été améliorées par addition de zéolite (0,5 g L-1). La zéolite fournissait probablement un habitat pour la croissance attachée de microalgues et une grande disponibilité d'ammonium pour la croissance à la surface de la zéolite en raison de l'adsorption d'ammonium par la zéolite. Une augmentation supplémentaire de la concentration en zéolite (de 0,5 à 1 et 5 g L-1) n’a pas amélioré l’efficacité de l’élimination de l’ammonium ni la concentration de la biomasse, probablement en raison de la turbidité accrue de la solution provoquée par la fragmentation de la zéolite ajoutée en particules plus fines, ce qui a réduit la disponibilité de lumière. Ces travaux ont montré la possibilité d'utiliser des microalgues dans le traitement des eaux usées pour éliminer efficacement les nutriments et les matières organiques, tout en favorisant la croissance des microalgues. La sélection d'espèces de microalgues adaptées aux eaux usées spécifiques pour éliminer les nutriments et les matières organiques est essentielle pour promouvoir les applications de traitement des eaux usées à base d'algues / Use of microalgae in wastewater treatment has been increasingly studied to integrate with or replace the present treatment systems for removal of nutrients and other pollu-tants. The potential advantages of this integration (wastewater treatment and microalgal cultivation) could be simultaneous recovery of nitrogen and phosphorus and the use of produced microalgal biomass as feedstock for e.g. biofuel, fertilizer and/or energy. However, the use of microalgae in wastewater treatment is mainly in research stage due to e.g. low nutrient removal and microalgal biomass growth. The aim of this thesis was to enable efficient nutrient and organic matter removal from wastewaters by mi-croalgae while promoting microalgal biomass production. Chlorella vulgaris and Scenedesmus acuminatus were successfully grown in batch photobioreactors with liquid digestates from anaerobic digestion (AD) of biosludge from a municipal wastewater treatment plant (ADMW) and a pulp and paper mill wastewater treatment plant (ADPP). The final ammonium removal efficiencies were above 97% when cultivating both microalgae separately in ADPP, however, only 24% and 44% of ammonium were removed from ADMW by C. vulgaris and S. acuminatus, respectively. Both microalgae efficiently removed phosphate (>96%), while color (74–80%) and sol-uble COD (27–39%) were partially removed from ADMW and ADPP. The obtained highest S. acuminatus biomass concentration (7.8–10.8 g L-1 VSS) in ADPP is among the highest yields reported for microalgae in real wastewaters. Higher S. acuminatus biomass yields were obtained in thermophilic ADPP (without and with pretreatment prior to AD: 10.2±2.2 and 10.8±1.2 g L-1, respectively) than in pretreated mesophilic ADPP (7.8±0.3 g L-1). In addition, the highest microalgal biomass concentration and methane yields were obtained in the same integrated AD and microalgal culti-vation system (thermophilic AD with pretreatment).The iron (0.1, 1.0, and 1.9 mg L-1) and sulfate-sulfur (3.7, 20, and 35.8 mg L-1) concen-trations were found to affect nitrogen removal efficiency and microalgal biomass con-centration more in the media with nitrate than with ammonium, probably due to different microalgal assimilation mechanisms for nitrate and ammonium. In this study, synthetic medium with nitrate as nitrogen source with 1.0 mg L-1 iron and 35.8 mg L-1 sulfate-sulfur enabled the highest microalgal biomass concentration. The effect of iron concentration on nitrate removal efficiency and microalgal growth was more significant than that of sulfate concentration, while the interaction effect between sulfate and iron was not observed. The average ammonium removal efficiency (14 to 30%) and microalgal biomass con-centration (0.55 to 1.17 g particulate organic carbon per L) in continuous-flow mem-brane photobioreactor were promoted by adding a low concentration of zeolite (0.5 g L-1). The zeolite likely provided a habitat for attached growth of microalgae and high availability of ammonium for growth on the surface of the zeolite due to ammonium adsorption to zeolite. Further increase in zeolite concentration (from 0.5 to 1 and 5 g L-1) did not improve ammonium removal efficiency or biomass concentration. This was likely due to the increased solution turbidity caused by breaking apart of added zeolite particles into finer particles, which reduced light availability.In summary, this work showed the possibility of utilizing microalgae in wastewater treatment to efficiently remove nutrients and organic matter, and simultaneously pro-mote microalgal growth. Selecting suitable microalgal species for the specific wastewater to remove nutrients and organic matter is essential to promote algae-based wastewater treatment applications

En concentration excessive, le phosphore rejeté à l'environnement favorise la croissance anormalement rapide de la flore aquatique. Des efforts doivent donc être faits pour développer des traitements qui permettront d'abaisser la concentration des rejets à des valeurs pouvant être aussi basses que 0,3 mgPtot/L. En ce sens, des travaux de recherche ont été réalisés. La méthodologie utilisée est basée sur l'utilisation d'un média filtrant constitué de broyure de bois activée imprégnée d'hydroxyde de fer à sa surface. Des essais en colonne ont été réalisés à partir de ce média filtrant. Opérées en immersion durant plus de 250 jours, des colonnes ont été alimentées avec une eau synthétique dopée en phosphore. Par ces essais, il a été mis en évidence que les colonnes opérées en milieu anaérobie sont plus efficaces que les colonnes opérées en aérobie. L'absence d'oxygène entraine une chute progressive du potentiel d'oxydoréduction. Lorsqu'il atteint des valeurs de l'ordre de -100mV, le fer en surface de la broyure se réduit et passe de la forme Fe³⁺ à la forme Fe²⁺. La forme Fe²⁺ étant plus soluble que la forme Fe³⁺, il y a donc une augmentation de la concentration en fer dissout. Appelé dissolution réductive, ce phénomène lent permet la complexation du fer solubilisé avec les ions phosphates en solution. C'est la combinaison de l'adsorption et de la complexation du fer qui permet d'obtenir un média performant. Sur une période de 291 jours, la colonne opérée en anaérobie a permis de maintenir à 85% l'enlèvement du phosphore. Puisque le phénomène de dissolution réductive entraine des relargages de fer et de phosphate ferrique à la sortie de la colonne, le contrôle de ces relargages par l'ajout d'une zone aérobie permet une hausse de la performance globale d'enlèvement du phosphore pour un % d'enlèvement global de 95%.

Aujourd’hui, la surveillance et le contrôle de la qualité des eaux usées (réseaux d’égouts, stations de récupération des ressources de l’eau–StaRRE, rivières) utilisent plusieurs capteurs installés en ligne. Une bonne stratégie de surveillance devrait être fiable et fournir une bonne qualité de données. L’utilisation des méthodes actuelles de détection de fautes a montré que des problèmes de colmatage conduisent à une perte de données comprise entre 10 et 60 %. Aider les utilisateurs à comprendre, analyser et traiter les fautes détectées (capteurs colmatés, fautes de calibration, installations et maintenances sous-optimales) permettrait de réduire le pourcentage de perte de données et d’atteindre de bonnes données sur la qualité des eaux usées. Dans ce travail de maîtrise, nous proposons deux outils modulaires complets permettant d’obtenir des informations exploitables à partir des données brutes (c'est-à-dire pour la détection des erreurs de capteurs, le contrôle ou la surveillance de processus). Ces outils ont été appliqués à des séries chronologiques des projets pilEAUte, bordEAUx et kamEAU collectés dans différents réseaux d’égouts et les StaRRE. Ces méthode sont été rendues limpides dans leur applicabilité avec la rédaction de «Standard Operating Procedures(SOP)» facilitant leur utilisation. Aussi, elles sont modulaires avec la construction de blocs de fonctions, tels qu'une boîte à outils. La première méthode est un outil univarié composé de deux étapes principales: le filtrage des données (détection des valeurs aberrantes et lissage) et la détection des fautes. La deuxième méthode est un outil utilisant l’Analyse en Composantes Principales (ACP) également composéede deux étapes: Développement du modèle ACP et détection des fautes par l’ACP. Finalement, dans les cas d’étude, le traitement des données a conduit à une perte minimale de données variant de 0.1-12%. / Nowadays, in the wastewater field (sewers, water resource recovery facilities -WRRFs, rivers), the monitoring and control of wastewater quality is performed with several on-line sensors. However, a good monitoring strategy should be reliable and provide good data quality. The current fault detection methods have shown that problems such as fouling lead to 10-60 % of the data being discarded. However, helping users in understanding, analysing and processing detected faults (sensors clogging, faulty calibration, suboptimal installation and maintenance) will allow reducing the percentage of data loss and reaching good data on wastewater quality. In this Master thesis, we propose two full workflows allowing the collection of raw data and their transformation into actionable information (i.e. for sensor fault detection, control or process monitoring).The two full modular frameworks were applied to time series data coming from thepilEAUte, bordEAUx and kamEAU projects collected in sewers and WRRFs. These methods have been made more easily applicable by writing Standard Operation Procedures (SOPs) on the use of these methods. In addition, the Matlab scripts are written in a modular way by building different function blocks that are compiled in a toolbox. The first method is a univariate tool composed of two main steps: Data filtering (outlier detection and smoothing) and fault detection. The second method is a multivariate tool using Principal Component Analysis, also composed of two steps: (i) the development of the PCA model and (ii) the fault detection by the PCA. Finally, for the three aforementioned projects, data treatment has led to only 0.1-12% of the data being discarded.

La modélisation du fonctionnement des stations d'épuration est un outil largement utilisé notamment pour l'optimisation et la réhabilitation des ouvrages existants et le dimensionnement de nouvelles installations, par les ingénieurs et par les chercheurs. S'assurer d'une bonne qualité des modèles est donc primordial. Or, d'après les résultats d'une enquête internationale effectuée auprès de 96 utilisateurs potentiels de modèles, deux étapes dans l’utilisation des modèles sont considérées comme particulièrement délicates: le choix du modèle à utiliser parmi les modèles disponibles et l'étape de calage de ces modèles. Le travail présenté visait à fournir des éléments pour lever des obstacles à une utilisation plus généralisée des modèles biocinétiques à boues activées. Il a porté sur sept des modèles publiés : (1) ASM1, (2) ASM2d, (3) ASM3, (4) ASM3+BioP, (5) ASM2d+TUD, (6) Barker & Dold et (7) UCTPHO+. Dans un premier temps, une analyse des connaissances pratiques des modèles a été effectuée afin d'améliorer le transfert des connaissances en modélisation. Une base de données de jeux de paramètres a été créée à partir d'études publiées et d'un questionnaire adressé aux utilisateurs de modèles. Cette base de données a notamment permis d'établir des fourchettes de valeurs utilisées pour l'ASM1 et l'ASM2d. Puis, une analyse des connaissances théoriques ayant pour but d'aider les utilisateurs à mieux comprendre les sept modèles et à choisir le modèle adapté à leur projet a été réalisée. Les modèles étudiés ont d'abord été vérifiés et les erreurs de frappe et incohérences ont été corrigées. Les concepts de modélisation ont été comparés entre eux grâce à une nouvelle représentation graphique, et confrontés aux connaissances sur le fonctionnement biologique des boues activées afin de mettre en évidence les limites théoriques des modèles. En dernier lieu, une méthodologie a été développée pour l'obtention de jeux de paramètres par défaut qui pourraient être utilisés comme valeurs initiales lors du calage des modèles. Pour cela, une procédure de calage multi-jeux de données a été élaborée. Cela nécessite au préalable le développement d'une procédure de calage automatisée et l'utilisation d'un critère de qualité permettant de définir l'arrêt de la procédure de calage. Une analyse est effectuée sur les critères de qualité utilisés en sciences de l'environnement. / Mathematical modelling of activated sludge systems has become a widely accepted tool and is used in particular for optimization and upgrading of existing plants and for new facilities design, either by engineering and consulting companies, or university and research centers. Ensuring the adequate quality of modelling results is therefore essential. However, an international survey conducted among 96 potential users of activated sludge models (ASM) pointing to two main obstacles to the use of modelling: the selection of the model to use among the available models and the model calibration. The objective of this work was to provide elements to overcome these obstacles and to promote the wider use of biokinetic models for activated sludge systems. It focused on seven published models: (1) ASM1, (2) ASM2d, (3) ASM3, (4) ASM3+BioP, (5) ASM2d+TUD, (6) Barker & Dold and (7) UCTPHO+. First, an analysis of practical knowledge on the models was performed to improve the transfer of modelling knowledge. A database of practical modelling applications from published case studies and from the answers of a questionnaire sent to model users was created. This database enables to establish ranges of parameter values commonly used for the ASM1 and ASM2d. Then the theoretical knowledge on ASMs was analysed to help users to better understand the seven studied models and to select the model most appropriate to their project. The studied models were first verified and typing errors and inconsistencies have been corrected. The modelling concepts were compared to each other through a new graphical representation, and confronted with knowledge about the biology of activated sludge, in order to highlight the theoretical limits of each model. Finally, a methodology has been developed to obtain default parameter values that could be used as initial values for model calibration. To this end, an automated calibration procedure that allows calibration on multiple data sets was proposed. Then, the quality criteria used in environmental sciences have been synthesised. These criteria are required to determine the best set of parameters based on the goodness-of-fit of the model and to compare results from different models.

La pollution de l'eau résultant de la présence excessive de nutriments azotés issus de pratiques agricoles et des activités humaines telles que la décharge des eaux usées domestiques et industrielles est devenue un problème environnemental majeur. L’objectif principal de cette étude est l’optimisation de la formulation de nouveaux adsorbants pour l’élimination des ions ammonium contenus dans les effluents d’origine agricole. À cet effet, deux matériaux mésoporeux fonctionnalisés avec des groupements arène et propyl-sulfonique acides par cocondensation et greffage post-synthèse d’une part et un nouvel adsorbant contenant un groupement benzénique ponté d’autre part ont été synthétisé. Ils ont été caractérisés et testés en modes discontinu et en continu. Les adsorbants arène et propylsulfonique acides avec un rapport molaire organosilane/silice de 20% affichent une capacité maximale d'adsorption d'environ 25 mg NH4+/g à la température la plus basse étudiée (5°C). Pour une concentration initiale d'ammonium donnée, l'efficacité d'élimination (W) augmente avec l'augmentation de la charge en adsorbant. La capacité d'adsorption s’est améliorée avec l'augmentation du rapport molaire organosilane/silice pour atteindre 42 mg de NH4+/g avec un rapport de 40 % à 25° C. Les données d'équilibre des deux adsorbants suivent le modèle de Langmuir et le modèle cinétique de pseudo second ordre est celui qui décrit le mieux leur comportement cinétique. Les valeurs négatives de l'enthalpie (ΔH°) et de l'entropie (ΔS0) obtenues indiquent que la réaction est exothermique et qu’il y a baisse de l'arrangement aléatoire de l'adsorbat à l'interface solide/liquide, respectivement. Enfin, les adsorbants sont facilement régénérés et ont maintenu leurs capacités d'adsorption après cinq cycles consécutifs d’adsorption-désorption. L’étude en continu a été réalisée avec l’adsorbant arène sulfonique synthétisé par greffage. Les résultats obtenus montrent que le temps de survenue des courbes de percée diminue avec l'augmentation du débit et de la concentration initiale, mais augmente avec l'augmentation de la hauteur du lit. Les modèles de Thomas et Yoon-Nelson ont permis une bonne prédiction des courbes de percée expérimentales. Enfin, les courbes de percée n'ont pas été modifiées après trois cycles consécutifs d’adsorption-désorption. Avec l’adsorbant contenant le groupement benzénique ponté, des capacités comprises entre 34 et 40 mg NH4+/g ont été obtenues. / Water pollution resulting from the excessive presence of nitrogen nutrients arising from agricultural practices and human activities such as the discharge of domestic and industrial wastewater has become a major environmental problem. The main objective of this study is to optimize the formulation of new adsorbents for the removal of ammonium ions contained in agricultural runoff. For this purpose, two mesoporous materials functionalized with arene and propyl sulfonic acid groups by cocondensation and post-synthesis grafting on the one hand and a novel adsorbent containing a bridged benzene moiety on the other hand were synthesized. They have been characterized and tested in batch and continuous modes. Arene and propylsulfonic acid adsorbents with an organosilane/silica molar ratio of 20% show a maximum adsorption capacity of about 25 mg NH4+/g at the lowest temperature studied (5° C). For a given initial ammonium concentration, the removal efficiency (W) increased with increasing adsorbent loading. The adsorption capacity was improved by increasing the molar organosilane silica ratio to reach 42 mg NH4+/g with a ratio of 40% at 25 ° C. The equilibrium data of both adsorbents followed the Langmuir model and the kinetic pseudo second order model is the one that best describes their kinetic behavior. Negative values of the enthalpy (ΔH0) and entropy (ΔS0) obtained indicate that the reaction is exothermic and that there is downward of the random arrangement of the adsorbate at the solid/liquid interface, respectively. Finally, the adsorbents are regenerated easily and maintained their adsorption capacity after five consecutive cycles of adsorption-desorption. The continuous study was conducted with the arene sulfonic acid adsorbent synthesized by grafting. The results obtained show that the time of occurrence of breakthrough curves decreases with increasing flow rate and initial ammonium concentration, but increases with increased bed height. Thomas and Yoon-Nelson models allowed a good prediction of experimental breakthrough curves. Finally, the breakthrough curves were not changed significantly after three consecutive cycles of adsorption-desorption. With the adsorbent containing the bridged benzene group, adsorption capacities between 34 and 40 mg NH4+/g were obtained.

Les modèles de boues activées ASM 1, 2 et 3 de l’International Water Association (IWA) sont acceptés comme la norme dans l’industrie du traitement des eaux usées. Toutefois, plusieurs auteurs ont remarqué que les constantes cinétiques de ces modèles dépendent du type de substrat, de la configuration du procédé et de l’âge des boues. Dans ces modèles, la répartition des flux de substrat entre la croissance et le stockage est une fonction empirique.Certains auteurs ont indiqué que les constantes cinétiques des modèles de boues activées peuvent être influencés par la régulation de la production d’enzymes. Ainsi, un ingénieur cherchant à modifier un système spécifique ne peut prédire la réponse du système réel une fois les modifications apportées, ni choisir la bonne configuration ou les bonnes modifications avec le même ensemble de constantes cinétiques. Il y a 60 ans, Monod (1949) a proposé d’appliquer l’équation de Michaelis-Menten décrivant la cinétique enzymatique à une culture de microorganismes. Afin de simplifier la relation mathématique proposée, Monod (1949) réduit la cellule entière en un seul enzyme génétiquement exprimé à une seule intensité. Toutefois, le métabolisme de la cellule est basé sur un grand nombre de réactions biochimiques. Le chapitre 2 de ce travail revoit la littérature afin d’identifier les facteurs contrôlant le métabolisme de la cellule et la régulation de l’activité spécifique de la cellule. La revue de la littérature a été rédigée de façon à souligner les mécanismes de régulation qui induisent une variation du taux de croissance afin de les exprimer mathématiquement (dµ/dt). L’étude de ces mécanismes vise à modéliser la variation de l’activité spécifique. La revue est limitée aux organismes procaryotes hétérotrophes sous des conditions aérobies. Dans la littérature, des modèles cybernétiques ont été proposés pour modéliser la croissance cellulaire et portent, entre autres, sur la régulation de la production d’enzymes, c’est-à-dire sur l’induction. L’objectif de ce travail est donc de présenter un modèle de boues activées qui imite l’induction enzymatique de la biomasse active dans le cadre des modèles de boues activées. Dans le modèle proposé au chapitre 3, les taux de réaction peuvent s’ajuster aux conditions environnementales et à l’historique cellulaire. Dans un premier temps, le modèle théorique a été calé sur les données trouvées dans la littérature. Les données colligées lors d’expériences transitoires à court et à long terme ont toutes été modélisées avec le même ensemble de constantes cinétiques, ce qui n’était pas possible avec les autres modèles. Le modèle proposé offre ainsi un regard plus réaliste de l’activité spécifique de la biomasse active sous des conditions d’opération du procédé hautement variables. Dans un deuxième temps, un protocole expérimental est proposé pour évaluer l’état métabolique des microorganismes présents dans la boue activée, et évaluer la performance du modèle proposé. Le protocole a été conçu pour caractériser l’évolution de plusieurs composants intracellulaires au cours de comportements transitoires de la biomasse. Au chapitre 5, le modèle théorique proposé au chapitre 3 a été adapté au protocole expérimental et calé sur les données expérimentales obtenues. Au cours des expériences effectuées, une réduction temporaire de l’activité métabolique a été observée après que la capacité de stockage ait été comblée. Selon les simulations effectuées, et la concordance des résultats obtenus avec une revue de littérature approfondie, il semble que la régulation croisée du carbone et de l’azote puisse être utilisée pour modéliser certains comportements transitoires et la régulation des flux métaboliques vers la croissance et le stockage. Au chapitre 6, les modèles à strucuture ARN-r sont proposés afin de donner une description de l’état métabolique des microorganismes à l’aide de nouvelles techniques moléculaires et prédire l’accélération de la croissance (dµ/dt) de la boue activée. Dans ces modèles, la synthèse du système de synthèse des protéines (PSS) est décrite par un mécanisme autocatalytique. La cinétique du processus autocatalytique présente un fondement métabolique de l’accélération de la croissance et de la phase de latence. Les modèles ARN-r sont en mesure de décrire adéquatement l’accélération de la croissance pour différentes configurations de réacteurs. Ainsi, ce type de modèles fait appel à des constantes cinétiques à caractère «intrinsèque» et peut être utilisé de façon moins restrictive que les modèles à caractère plus empirique. Ceci constitue un avantage pour le développement de modèles de conception plus fiables. / For wastewater treatment, the activated sludge models (ASMs) 1, 2, and 3 of the International Water Association (IWA) are accepted as industrial standard. However, many authors have observed that the kinetic parameters of these models depend on the type of substrate, process configuration, and sludge age. Some publications showed that the kinetic parameters of ASMs could be influenced by regulation of enzyme production. In the models currently used to describe the activated sludge process, the distribution of the substrate flux between growth and storage is an empirical function. Therefore, an engineer aiming to make some modifications to a specific treatment system is not able to predict the response of the real system after the modifications and choose the right configuration or modifications with the same set of parameters. Sixty years ago, Monod (1949) proposed the application of the Michaelis Menten relation describing enzyme kinetics to a culture of micro-organisms. For the purpose of simplification, the mathematical relation proposed by Monod (1949) reduced the entire cell to a single enzyme genetically expressed at a single level. However, cell metabolism is based on a large number of biochemical reactions. Chapter 2 of this thesis reviews the literature to identify the controlling factors of cell metabolism and the regulation of the specific activity of the cell. The literature review was designed to highlight which regulation mechanisms induce a growth rate variation so that they can be expressed mathematically (dµ/dt). The study of these processes will focus on modeling the specific activity variation. The review is limited to heterotrophic prokaryote organisms growing under aerobic conditions. Cybernetic models are proposed for modeling cell growth and focus, among other things, on regulation of enzyme production, that is to say on induction. The objective of this work is to present an activated sludge model that mimics the enzymatic induction of active biomass within the framework of ASMs. In the proposed model presented in chapter 3, process rates are modulated according to the environmental conditions and cell history. In a first step, the model was fitted on the basis of data found in the literature. All data collected from short and long transient experiments were fitted with the same set of parameters, which was not possible with various models. The proposed model gave a more realistic picture of active biomass and of its specific activity under highly varying process conditions. In a second step, an experimental protocol is presented to perform the evaluation of the structured biomass model. The protocol was designed to induce transient behaviour and characterize the evolution of several internal biomass components. In chapter 5, the theoretical model proposed in chapter 3 is adapted to an experimental protocol and fitted to the collected data. In these experiments it was observed that filling the storage capacity of cells leads to special transient behaviour and a temporarily reduced metabolic activity. The model-based interpretation of the results showed that the observed transient behaviour can be explained by cross-regulation of carbon and nitrogen metabolism. Hence, according to an extensive literature review, the cross-regulation of carbon and nitrogen can be used to model some observed transient behavior and regulation of the storage process in activated sludge. In chapter 6, rRNA-structured biomass models are proposed to describe the metabolic status of cells using new molecular techniques in view of predicting the growth response (dµ/dt) of cells in the activated sludge process. The autocatalytic reaction rate of the synthesis of the PSS component (rRNA) can provide a mechanistic explanation for the growth response and the growth lag phase. The proposed models were able to properly describe and predict the growth response of the biomass in various types of reactor. Such models could be more widely applicable by using intrinsic model parameters, and this could be a key improvement as it could lead to improved models for design.

La résistance aux antibiotiques est l'une des principales menaces à la médecine moderne selon l'Organisation mondiale de la santé. Des études effectuées sur l'eau d'usines de traitement des eaux usées (UTE) ont montré qu'elles sont une importante source de gènes de résistance aux antibiotiques (GRA). Cependant, l'air entourant les bassins de traitement d'eaux usées a peu été étudié. Les bioaérosols émis lors de ces traitements ont le potentiel de propager des GRA sur de très longues distances. Ce projet a comme objectif de préciser le rôle des bioaérosols émis par les bassins extérieurs de traitement des eaux usées dans la propagation des gènes de résistance aux antibiotiques. Des échantillons d'air ont été prélevés en amont et en aval de bassins extérieurs de boues activées et de bassins extérieurs d'aération d'eaux usées. Des échantillons ont également été prélevés à proximité de bassins de décantation intérieurs. Ces échantillons d'air ont été récoltés avec un SASS 3100 Dry Air Sampler ainsi qu'avec un SASS 4100 Two-Stage Aerosol Collector. Les bactéries totales ont été quantifiées par amplification PCR. La PCR quantitative a aussi été réalisée pour 38 gènes de résistance aux antibiotiques et éléments génétiques mobiles sur chaque échantillon. Les gènes conférant des résistances aux Bêta-lactamines, aux tétracyclines, aux sulfamides ainsi qu'aux macrolides ont été retrouvés dans l'air entourant les bassins de traitement des eaux usées. Les bassins de boues activées semblent émettre plus de GRA que les étangs aérés. / Antibiotic resistance is one of the main threats to modern medicine according to the World Health Organization. Studies carried out on water from sewage treatment plants have shown that they are an important source of antibiotic resistance genes (ARGs). However, the air surrounding wastewater treatment ponds has been little studied. The bioaerosols emitted during these treatments have the potential to spread GRAs over very long distances. This project aims to precise the role of bioaerosols emitted by outdoor wastewater treatment ponds in the spread of antibiotic resistance genes. Air samples were taken upstream and downstream of outdoor activated sludge ponds and outdoor wastewater aeration ponds. Samples were also taken near indoor settling ponds. There air samples were collected with a SASS 3100 Dry Air Sampler as well as with a SASS 4100 Two-Stage Aerosol Collector. Total bacteria were quantified by PCR amplification. Quantitative PCR was also performed for 38 antibiotic resistance genes and mobile genetic elements on each sample. Genes conferring resistance to beta-lactams, tetracyclines, sulfamides and macrolides have been found in the air surrounding wastewater treatment ponds. Activated sludge seems to emit more ARGs than aerated ponds.

La pollution des eaux usées contaminées par les métaux lourds constitue une problématique environnementale sérieuse et par conséquent une préoccupation mondiale. Plusieurs techniques sont utilisées pour éliminer les métaux lourds, mais l'adsorption s'impose comme étant l'approche la plus efficace, la plus simple et la moins coûteuse tout en respectant l'environnement. Les rejets agroalimentaires étant riches en fibres ils contiennent des groupes fonctionnels qui peuvent être utilisés pour adsorber les métaux lourds et par conséquent assainir les eaux contaminées par le Pb. Dans ce contexte, la présente étude s'est concentrée sur l'adsorption du Pb d'une eau distillée contaminée au Pb en utilisant trois rejets agroalimentaires (biosorbants). L'objectif de cette étude vise la valorisation de trois rejets agroalimentaires (pelures de banane, écorces de citrouille et écorces de melon jaune) pour adsorber le Pb d'une eau contaminée artificiellement par du nitrate de Pb. Les résultats obtenus montrent que les trois rejets agroalimentaires adsorbaient efficacement le Pb. Pour une concentration initiale de 3 000 ppm de Pb, 86,5, 84,1% et 86,2 % ont été adsorbés respectivement par les écorces de citrouilles en 5 min, par les écorces de melon jaune en 60 min et par les pelures de banane en 240 min. La différence de comportement des trois rejets peut être tributaire de leurs propriétés physicochimiques. La composition de chaque biosorbant a joué un rôle important dans le processus d'adsorption. Pour bien mener cette étude, l'objectif spécifique était d'examiner l'effet : i) de la concentration initiale du Pb, ii) du ratio (masse de biosorbant/ml de solution de Pb), et iii) et du temps de contact entre le Pb (adsorbat) se trouvant en solution et les biosorbants sur le taux d'adsorption de Pb. En général, ces résultats confirment la possibilité d'utiliser ces rejets comme une approche prometteuse pour l'assainissement des eaux contaminées par le Pb. / The pollution of wastewater contaminated by heavy metals constitutes a serious environmental problem and therefore a global concern. Several techniques are used to eliminate heavy metals, but adsorption stands out as the most effective, simple and least expensive approach while respecting the environment. Agri-food waste being rich in fibers contains functional groups which can be used to adsorb heavy metals and consequently purify water contaminated by Pb. In this context, the present study focused on the adsorption of Pb d distilled water contaminated with Pb using three agri-food wastes (biosorbents). The objective of this study aims to valorize three agri-food wastes (banana peels, pumpkin peels and yellow melon peels) to adsorb Pb from water artificially contaminated with Pb nitrate. The results obtained show that the three agri-food waste efficiently adsorbed Pb. For an initial concentration of 3,000 ppm of Pb, 86.5, 84.1% and 86.2% were adsorbed respectively by pumpkin peels in 5 min, by yellow melon peels in 60 min and by banana peels in 240 min. The difference in behavior of the three releases may be dependent on their physicochemical properties. The composition of each biosorbent played an important role in the adsorption process. To properly carry out this study, the specific objective was to examine the effect of: i) the initial concentration of Pb, ii) the ratio (mass of biosorbent/ml of Pb solution), and iii) and the time of contact between the Pb (adsorbate) found in solution and the biosorbents on the Pb adsorption rate. In general, these results confirm the possibility of using these discharges as a promising approach for the remediation of water contaminated by Pb.

L'objectif du présent travail de maîtrise est de montrer l'effet de diverses approches de réglementation internationale sur la conception des stations d'épuration, la qualité des effluents, la conformité aux permis et les impacts sur les eaux réceptrices par le biais d'une étude de cas de modélisation réaliste. Les objectifs concrets de cette étude étaient les suivants : - Étudier l'équivalence des normes relatives aux effluents en termes de limites, d'évaluation de la conformité et d'impacts sur la qualité de l'eau. - Identifier les structures de permis efficaces en mettant l'accent sur les propriétés des permis qui pourraient contribuer à stimuler ou à inhiber l'innovation. - Développer une méthodologie permettant de comparer des permis d'eaux usées entre eux. La méthodologie de Jacobsen & Warn (1999) a été adaptée pour être utilisée avec des données de l'effluent d'une StaRRE de 78000 m$^3$/j situé en Virginie (VA) pour lequel une année complète de données était disponible. Les simulations ont été réalisées à l'aide du simulateur de traitement des eaux usées WEST (DHI, Danemark) et du modèle ASM2d. Cinq structures de permis provenant de Chine (classe 1B), des États-Unis (Nansemond + Norfolk, VA), du Canada (Québec) et des Pays-Bas ont été comparées pour un StaRRE faisant la pré-dénitrification conçu selon Metcalf & Eddy. Les permis ont été évalués en fonction de la différence de capacité de conception requise pour être conforme aux permis ainsi que de la protection de l'environnement qu'ils assurent. À cette fin, une rivière inspirée de la rivière James en Virginie a été simulée à l'aide du modèle River Water Quality Number 1. Les résultats suggèrent que la procédure de conception utilisée de Metcalf & Eddy est beaucoup plus conservateur pour l'élimination de l'azote et DBO$_5$ que pour les MeS. L'évaluation de l'impact environnemental de la décharge a montré que les pics d'OD apparaissent surtout pendant l'été tandis que les pics de NH₄ sont observés principalement pendant l'hiver. / The objective of this research project was to showcase the effect of various international regulation approaches on treatment plant design, effluent quality, permit compliance and receiving water impacts through a realistic modelling case study. The concrete objectives of this study to help advise on appropriate regulation structures were the following: - Investigating the equivalence of effluent standards in terms of limits, compliance assessment and water quality impact under variable conditions: - Identifying effective permit structures with a focus on the properties of permits that could help stimulate or inhibit innovation. - Develop a methodology that allows comparing permit structures one to another. Jacobsen and Warn (1999) studied a WRRF operating under steady state conditions to evaluate how the true effluent quality and treatment performance to be pursued is different for different permit structures. In this MSc study, their methodology was thus adapted for use with effluent quality data generated by dynamic simulations with an ASM2d WRRF model. The latter was based on a 20 MGD nitrogen-removing WRRF located in Virginia (VA) for which a full year of data was available. The simulations were conducted using the WEST wastewater treatment simulator (DHI, Denmark). Five permit structures from China (class 1B), USA (Nansemond, VA), USA (Norfolk, VA), Canada (Québec) and the Netherlands were compared for a WRRF based on Metcalf & Eddy design rules for a predenitrifying plant. The permits were evaluated in terms of the difference in design capacity that is required to achieve compliance with the regulations as well as the environmental protection they achieve. To that end, a river inspired by the James River in Virginia was simulated using IWA's RWQM1. The results suggest that the used Metcalf and Eddy design procedure is much more conservative for nitrogen and BOD$_5$ removal than for TSS. Take into account that the settler model utilized was not primarily constructed to precisely forecast the concentration of solids in the effluent, but to predict the concentration of sludge underflow. Hence, while the model can give significant insights into the system's performance concerning nitrogen and BOD$_5$ removal, its reliability may falter when predicting the efficiency of TSS removal in the effluent. Moreover, the environmental impact assessment of the discharge revealed that peaks of dissolved oxygen (DO) are predominantly seen in the summer, while ammonium (NH$_4$) peaks are mainly noticeable during the winter.

Au Québec, l’industrie laitière est un secteur important de l’économie provinciale. Au Canada, près de 60 % des unités de fabrication de fromage sont situées dans la province de Québec et plus de deux milliards de litres de lait sont transformés en fromage à chaque année. En 2015, le nombre de fermes laitières québécoises s’élevait à 5 766. En moyenne, une ferme possède un cheptel de 60 vaches et livre près de 500 000 litres de lait par année. De plus, la production d’une vache sur cinq devient du lait de consommation, qui est simplement homogénéisé et pasteurisé. Le reste est transformé principalement en fromage, crème, yogourt et beurre. Une production très importante de déchets issus de cette industrie a été mise en évidence dans certaines régions du Québec à cause de l’augmentation de la production de fromage. Ces déchets entraînent des problèmes de pollution de l’eau, comme l’eutrophisation des plans d’eau par de charges élevées de polluants organiques, de matière en suspension et de nutriments liés à ce type de rejets industriels. Une solution envisagée est de traiter les eaux usées avant de les épandre dans les sources d’eau afin d’en réduire la charge polluante. Une forme de traitement in-situ est d’installer, à la ferme, un système de traitement biologique des effluents de fromagerie. Pour ce faire, cette étude propose un système par biofiltration. L’objet de la présente étude consiste donc à évaluer la performance du traitement des effluents de fromageries fermières par l’utilisation d’un biofiltre. Plus spécifiquement, ce projet de maîtrise comprend le démarrage, le développement et l’opération d’un biofiltre pilote où le lactosérum (composante des déchets) est séparé des effluents de fromagerie, pour alimenter (affluent) le système de biofiltration. Un deuxième objectif est l’évaluation du procédé de traitement. Des performances épuratrices satisfaisantes en terme de réduction de la demande chimique en oxygène (DCO), des matières en suspension (MES) et de l’azote total (TN) ont été confirmées. L’enlèvement de la DCO total par le biofiltre pilote a varié entre 94 % et 99 %, pour les MES entre 97 % et 99 % et par rapport à l’azote total entre 70 % et 90 %. La biofiltration s’avère donc, une bonne technique présentant beaucoup de potentiel, simple et efficace pour traiter les effluents liquides des fromageries fermières. De plus, la mise en place du biofiltre pilote est facile et son fonctionnement est autonome sans besoin de l’assistance régulière d’un technicien. Mots-clés : Biofiltre, biofiltration, lactosérum, effluents de fromageries fermières / In Quebec, the dairy industry is an important sector of the provincial economy. In Canada, near to 60 % of cheese fabrication unities are located in the province of Quebec and more than two billions of liters of milk are converted into cheese every year. In 2015, the number of Quebec’s dairy farms rose the number of 5 766. On average, a farm has got a livestock of 60 cows and delivers around 500 000 liters of milk per year. Furthermore, a cow’s production over five becomes milk for consumption, which is simply homogenised and pasteurized. What is left is converted essentially into cheese, cream, yogurt and butter. A very important production of wastes coming from this industry has been put forward in some areas of Quebec, due to the rising cheese production. Those wastes carry water contamination problems, such as the eutrophication of water bodies by high loads of organic pollutants, suspended solids and nutriments linked to this kind of industrial waste. A considered solution is to treat wasted water before spreading them into water sources in order to reduce the contaminating loads. A form of treatment in-situ is to install, at the farm, a biological treatment system of cheese dairy effluents. To do this, the present study suggests a system by biofiltration. The purpose of this study is therefore to evaluate the performance of the treatment of effluents from cheese dairies by the use of a biofilter. More specifically, this master degree’s project involves the star-up, the development and the operation of a pilot biofilter where the whey (waste component) is separated from cheese dairy effluents to feed (affluent) the biofiltration system. A second objective is the treatment process evaluation. Satisfying removal performances were confirmed in terms of chemical oxygen demand (CDO), total suspended solids (TSS) and total nitrogen (TN). This biofilter is capable of operating with positive removal efficiencies of above 90 %. Biofiltration is therefore a good technique with a lot of potential, simple and effective to treat the liquid effluents of the cheese dairies. Moreover, the installation of the pilot biofilter is easy and its operation is autonomous without the need of the regular assistance of a technician. Key-words: biofilter, biofiltration, whey, cheese dairy effluents