La STEP de Benslimane dont les effluents épurés sont réutilisés pour l’arrosage du Golf, comporte un système de lagunage aéré suivi de quatre réservoirs opérationnels. L’évolution des paramètres de pollution entre l’entrée des réservoirs et leur sortie, laisse voir des abattements moyens de 60% pour la DBO5, 40% pour la DCO, 48% pour les MES et 98% pour les coliformes.L’évolution des teneurs des différents paramètres de pollution sous le même régime d’opération et les mêmes conditions climatologiques est synchrone dans les quatre réservoirs témoignant des mêmes performances.Les résultats de la qualité de l’eau le long de la colonne d’eau du réservoir entre 40 cm et 350 cm montrent une colonne homogène où toutes les réactions se déroulent en aérobiose.Ces réservoirs permettent le stockage et la quasi purification microbiologique des effluents. Ils constituent une solution pour les pays arides et semi-arides pour l’épuration et le développement agricole. / Benslimane STEP is an aerated lagoons system followed by four operational tanks. The evolution of pollution parameters between input and output of the reservoirs, shows a removal of 60% for BOD5, 40% for COD, 48% for TSS and 98% for coliforms. Changes in concentrations of various pollution parameters under the same operating system and the same weather conditions is synchronous in the four reservoirs showing the same performance. The results of water quality along the reservoir's water column between 40 cm and 350 cm show an homogeneous column where all the reactions take place under aerobic conditions. These tanks can store and almost achieve a total microbiological purification of effluents. They are a solution to the arid and semi-arid areas for finishing of waste water and irrigation development.

Les étangs aérés (EA) représentent une technologie de traitement des eaux usées très répandue dans les petites communautés du Canada et des États-Unis. Au Québec, c'est plus des deux tiers des stations qui sont de ce type. Parmi les stations de petite taille (débit annuel moyen <2500 m³/d), cette proportion monte à 85%. Avec, d'une part, l'évolution de la réglementation qui impose des normes de rejet de plus en plus strictes pour les stations de traitement et, d'autre part, la croissance des communautés desservies, la mise à niveau d'un grand nombre d'EA est nécessaire. Une des solutions pour l'augmentation de la capacité des EA est d'ajouter un support bactérien fixe au sein des étangs pour augmenter le temps de rétention de la biomasse ainsi que leur concentration. Cette solution est exploitée par l'entreprise Bionest qui a développé la technologie KAMAKTM dont l'idée principale est d'ajouter un support bactérien fixe au sein de colonnes aérées installées directement dans les étangs. Le KAMAKTM complet est formé d'une alternance de zones de sédimentation (3) et de séries de colonnes formant des réacteurs à biofilm (2). Ce type de technologie peu documenté a fait l'objet du projet de recherche dont il est question dans cette thèse. Une stratégie de suivi en continu de la qualité de l'eau a été déployée sur un système KAMAKTM pleine échelle installé – pour simuler une situation de surcharge – dans une portion des EA de la petite municipalité de Grandes-Piles (415 habitants). Ce suivi a permis de gagner de l'expérience quant à l'installation, l'exploitation et l'entretien de stations de mesure dans un contexte de petit système sans opération quotidienne et, bien sûr, de récolter des données permettant d'évaluer les performances du système à l'étude. Une procédure de traitement des données a été développée pour passer des données brutes à des données plus facilement interprétables et à des fichiers d'entrée pour la modélisation. L'analyse des performances a principalement été orientée sur les défis identifiés pour le système, soit la nitrification et l'enlèvement des matières en suspension (MES). Pour la nitrification, les données ont montré que le système permet une nitrification saisonnière (à température chaude) prolongée par rapport à un étang aéré typique, et ce, même si le système est exposé à une forte charge organique. La prolongation de la période de nitrification d'environ un mois a été observée en automne, à la fin de la période optimale de nitrification. Pendant cette période, un événement temporaire de perte de nitrification a cependant été expérimenté. L'explication proposée pour cet événement concerne l'enlèvement des MES. Une présence importante de MES dans le système a en effet été corrélée avec cet événement. Le suivi de l'accumulation des solides et de leur digestion a fourni des explications pour les variations de performance d'enlèvement des MES. Un suivi de l'évolution des hauteurs de sédiments, de leurs caractéristiques et de la production de gaz associée à leur digestion a été réalisé. Ce suivi a montré que les conditions de forte charge appliquées au système sont associées à une accumulation hivernale des sédiments suivie d'une activité significative de digestion anaérobie pendant la période estivale. Cette digestion entraîne une production de biogaz pouvant causer la remise en suspension de sédiments. Ce phénomène a été utilisé pour expliquer l'augmentation momentanée des concentrations en MES et la perte temporaire de nitrification pendant l'été. Dans le cas de la nitrification, un attachement accru de MES au biofilm est associé à une pénétration plus faible de l'oxygène qui entraîne une baisse d'activité des bactéries nitrifiantes. Dans le but de comprendre de manière globale les performances du système et de vérifier les explications présentées pour les baisses momentanées de performance, un modèle mathématique a été développé. Ce modèle a permis de mettre en lumière la complexité de la nitrification saisonnière et d'illustrer les liens existants entre les processus actifs au sein du système. Des fonctionnalités innovantes ont été intégrées au modèle pour décrire la remise en suspension de sédiments et l'influence de la température sur les bactéries autotrophes. Ces dernières ont été divisées en deux groupes pour décrire adéquatement les performances de nitrification. Le modèle a finalement été utilisé pour évaluer l'impact de stratégies opérationnelles et de modifications de configuration sur les performances du système. / Aerated lagoon (AL) systems are widely used for wastewater treatment in small communities of Canada and the United States. In the province of Québec, for example, more than two thirds of all plants are of this type. Among the plants classified as small or very small (yearly average flowrate below 2500 m³/d), this fraction rises to 85%. With, on the one hand, the evolution of regulations imposing increasingly strict discharge standards for treatment plants and with, on the other hand, the growth of the served communities, the upgrading of many AL type plants is becoming a necessity. One of the solutions put forward for increasing the capacity of AL is to add a fixed biofilm support within the lagoons to increase the biomass retention time as well as their concentration. This solution has been adopted by the Quebec company Bionest by developing the KAMAKTM technology. The main idea of the KAMAKTM is to add a fixed bacterial support within aerated columns installed directly in the lagoons. These columns, installed in series, form biofilm reactors within the lagoons. The complete KAMAKTM system consists of an alternation of sedimentation zones (3) and biofilm reactors (2). This thesis aims at increasing the knowledge of this type of technology which was poorly documented so far. An online water quality monitoring strategy was deployed on a full-scale KAMAKTM system installed in a portion – to simulate an overload situation – of the AL of the small Quebec municipality of Grandes-Piles (415 inhabitants). This high-frequency monitoring made it possible to gain an understanding regarding the installation, operation and maintenance of automated monitoring stations in the context of a small system without day-to-day operation and, of course, to collect data to objectively assess the performance of the studied system. A data treatment procedure was developed to transform raw data into more easily interpretable data and, ultimately, into input files for process modelling.Interpretation of the monitoring data allowed assessing the performance of the technology. The performance analysis focused on the main challenges identified for the system, namely nitrification and total suspended solids (TSS) removal. For nitrification, the data have shown that the system allows extended seasonal (at warm temperature) nitrification compared to typical AL systems (suspended growth), and even with the system being exposed to higher organic loading rates. The extension was mainly observed in the fall, at the end of the optimal nitrification period. However, during the summer period, a temporary nitrification loss event was experienced. The explanation for this event is connected to the second challenge: TSS removal. Indeed, TSS present in the system was correlated with this event and with the operating temperature. Monitoring of solids accumulation and sediment digestion helped identify potential causes for the poor TSS removal performance in this period. The evolution of sediment height, sediment characteristics and gas production associated with their digestion, was monitored in parallel to the monitoring of water quality. It showed that the high loading rate conditions applied to the system are associated with sediment accumulation during winter followed by their anaerobic digestion during the summer period. The resulting production of biogas caused sediment resuspension. This resuspension phenomenon has been used to explain the momentary deterioration in effluent quality in terms of TSS and ammonia during the summer period. Regarding nitrification, an increased attachment of TSS to the biofilm, associated with a lower penetration of oxygen, led to a decrease in the activity of the nitrifying bacteria. In order to understand the performance of the system in a comprehensive manner and to validate the presented explanations for the momentary deterioration of performance, a mathematical model was developed to describe the complete system. The modelling work highlighted the complexity of the nitrification performance dynamics and illustrates, in an integrated manner, the existing links between the different active processes within the system. Innovative features were integrated in the model to describe the resuspension of sediment and the influence of temperature on autotrophic bacteria. Two groups of autotrophic bacteria had to be considered in the model to adequately describe the observed nitrification performance. The model was finally used to assess the impact of new operational strategies and configuration changes on the performance of the system.

Ce projet s’insère dans la tendance qui veut souligner la pertinence des microalgues parmi les solutions prometteuses au niveau environnemental et économique pour la fabrication de biocarburants. Cette recherche souhaite répondre à la demande de l’industrie qui est toujours à la recherche de méthodes de traitement des eaux usées peu coûteuses. La faisabilité d’utiliser des eaux usées industrielles très contaminées en composés aromatiques divers comme substrat de culture a été évaluée avec des espèces de microalgues vertes d’eau douce. Afin de jauger la faisabilité, le projet a été divisé en plusieurs sous-objectifs qui ont permis de sélectionner une souche de microalgues prometteuse et d’estimer la toxicité du phénol présent dans l’eau sur les microorganismes. Après avoir sélectionné la souche la plus résistante à l’eau usée, soit Chlorella vulgaris (souche CPCC90), des essais de croissance dans différentes conditions ont été réalisés afin de pouvoir caractériser cette souche. Les conditions idéales de croissance pour CPCC90 sont à 20 °C et elle peut survivre jusqu’à des concentrations de 50 % d’eau usée dans le milieu. L’eau usée a toutefois un effet toxique important limitant l’utilisation dans le milieu à 30 % pour l’obtention de croissances comparables à ce qui est rapporté dans la littérature dans des conditions similaires. Dans ces conditions et avec un éclairage important, une concentration de biomasse de 0,84 g/L a pu être obtenu. Les souches de Chlorella testées ont présenté un potentiel de croissance prometteur dans ces eaux, mais la toxicité de ces dernières sur les microorganismes a grandement limité leur potentiel d’utilisation. Afin que l’eau usée puisse être utilisée comme substrat de culture, il faudrait veiller à réduire sa toxicité par un traitement préalable ou de travailler avec des microorganismes adaptés à ces types de contaminants. De plus, il serait essentiel de complémenter le milieu avec des sources de phosphore et d’azote à faibles coûts. Cette recherche vient complémenter la littérature sur l’utilisation de l’espèce Chlorella en eaux usées pour la production de biocarburants de 3e génération.

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La STEP de Benslimane dont les effluents épurés sont réutilisés pour l'arrosage du Golf, comporte un système de lagunage aéré suivi de quatre réservoirs opérationnels. L'évolution des paramètres de pollution entre l'entrée des réservoirs et leur sortie, laisse voir des abattements moyens de 60% pour la DBO5, 40% pour la DCO, 48% pour les MES et 98% pour les coliformes.L'évolution des teneurs des différents paramètres de pollution sous le même régime d'opération et les mêmes conditions climatologiques est synchrone dans les quatre réservoirs témoignant des mêmes performances.Les résultats de la qualité de l'eau le long de la colonne d'eau du réservoir entre 40 cm et 350 cm montrent une colonne homogène où toutes les réactions se déroulent en aérobiose.Ces réservoirs permettent le stockage et la quasi purification microbiologique des effluents. Ils constituent une solution pour les pays arides et semi-arides pour l'épuration et le développement agricole.

Le problème de l'eau se pose avec acuité aussi bien au Nord qu'au Sud, chez les uns en terme de qualité, chez les autres en terme de quantité. L'accroissement démographique, les activités anthropiques et les changements climatiques exercent une grande pression sur la ressource «eau». Celle-ci diminue à cause de la surexploitation des nappes, de la pollution des lacs et des rivières, etc. Pour disposer de plus d'eau douce pour les usages industriels et d'eau potable, l'agriculture, qui consomme près de 70% de toute l'eau douce utilisée, doit réutiliser davantage les eaux usées en irrigation. Cette réutilisation permet, en plus de l'eau, d'apporter des fertilisants et de la matière organique. La réutilisation des eaux usées a toujours existé, mais elle a toujours été traitée d'une façon monodisciplinaire, le seul critère retenu étant la santé humaine. Toutes les normes de l'OMS ont été élaborées dans un souci sanitaire. Celles-ci ont été d'une part contraignantes, car difficile à respecter par les pays en voie de développement et, d'autre part, ont posé le problème d'acceptabilité sociale (image négative d'une eau considérée dangereuse). Le travail consiste à élaborer un outil de prise de décision qui, d'une part, intègre le nombre maximum de systèmes dans lesquels s'inscrit la réutilisation des eaux usées, et donc plusieurs critères et, d'autre part, permet de s'assurer que ce type de projet s'inscrit dans une perspective de développement durable et ce dès son élaboration. Une approche théorique a été adoptée, elle consiste à inventorier les systèmes mis en jeu dans le projet, à choisir les principes du développement durables qui cadrent avec le projet et d'élaborer une grille pour aider à la prise de décision. Cette approche doit pouvoir se généraliser à d'autres problématiques environnementales présentant des similitudes. Le présent travail ne présente aucune validation sur le terrain. Les difficultés rencontrées sont d'ordre théorique, notamment la définition des paramètres liés aux systèmes, le nombre de principes à choisir parmi les vingt sept du développement durable, la formulation de la question et l'évaluation au niveau de la grille. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Réutilisation des eaux usées, Irrigation, Développement durable, Grille décisionnel.

Nos études ont portés sur la mise au point d'un photoréacteur simple fabriqué à partir des chutes de polymères et de valoriser les déchets de coques de noix de coco en les transformant en charbons actif, pour le traitement des eaux usées. Dans première phase de notre étude, le photoréacteur a permis d'effectuer la photodégradation du Diuron (abondant dans les herbicides utilisés en agriculture), sous irradiation artificielle (lampe à UV) et naturelle (rayons solaires). Les tests ont été effectués sur deux catalyseurs commerciaux supportés (la Quartzel de Saint Gobain-quartz et le papier cellulosique d'Alsthom). La photodégradation du Diuron suit une cinétique de pseudo-ordre un. Dans le souci de valoriser les déchets agricoles de la Côte d'Ivoire (principalement les déchets ultimes de coco), des charbons actifs ont été préparés à partir de ceux-ci par activation physique. Nous avons développé une méthode qui tient compte du facteur coût et performance du produit. Des tests de caractérisations chimiques et physiques ont été effectués. Notre charbon "optimisé" a une surface spécifique de 750 m² par gramme environ, est essentiellement microporeux et contient des fonctions acides et bases à sa surface. Les études cinétiques d'adsorption du Diuron ont montré que ce charbon optimisé a une bonne affinité avec cette molécule sonde. Nous avons dans la dernière partie de notre étude combinée les deux procédés (Photocatalyse et adsorption sur charbon actif). Des études préliminaires ont été effectuées Ces tests nous ont permis de mettre en place le protocole expérimental utilisé, qui consistait à faire de la photodégradation pendant 90 minutes environ et ensuite de faire passer la solution sur une cartouche de charbon actif préparé par nous même. Une étude comparative des trois procédés a été effectuée et nous avons observé des avantages liés au couplage TiO2/CA. Nous avons pu éliminer les derniers pourcentages de Diuron et des éventuels sous-produits de la photodégradation du Diuron. De plus techniquement nous pouvons réaliser un procédé de photocatalyse le jour et d’adsorption la nuit / Our studies have focused on the development of a simple photoreactor hand-made from polymer wastes and recover the coconut shell waste tuning them into activated carbon for the treatment of wastewater. The first part of our study, the photoreactor allowed for the photodegradation of Diuron (abundant in herbicides used in agriculture), under artificial (UV lamp) and natural (sunlight) irradiation. The tests were conducted on two commercial supported catalysts (the Quartzel for Saint-Gobain Quartz and cellulosic support for Ahlstrom). The photodegradation of Diuron kinetics follows a pseudo-first order. The cellulosic support is suitable of our photoreactor even if the Quartzel is more efficient than the cellulosic support. The photodégradation under both two irradiation sources is the same. In order to recover the waste agricultural on Côte d'Ivoire (mainly final waste coconut shell), active carbons were prepared from them by physical activation. We have developed a method that takes into account the cost factor and product performance. Tests of physical and chemical characterizations were performed. Our coal "optimized" has a specific surface of 750 m² per gram about is essentially microporous and contains features acids and bases on its surface. Kinetic studies of adsorption of Diuron showed that the optimized coal has a good affinity with the probe molecule. We have in the last part of our study combined the two processes (photocatalysis followed by adsorption on activated carbon). Preliminary studies on the photo-reactors were carried out. These tests have allowed us to establish the experimental protocol used, which was to make the photodegradation for 90 minutes and then pass the solution through a cartridge of activated carbon prepared by ourselves. A comparative study of three methods was performed and we observed the benefits of coupling TiO2/CA. We could eliminate 10 % of Diuron, and by-products of photodegradation of Diuron remained on the solution. Also technically we can do the process by the day by Photocatalysis and by night by adsorption

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.

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.