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.

Titre de l'écran-titre (visionné le 30 octobre 2023) / Les stations de récupération des ressources de l'eau (StaRRE) sont confrontées à de nouveaux défis en raison de différents facteurs de stress dans le monde entier, ce qui entraîne un besoin urgent de technologies innovantes. Une solution potentielle réside dans les jumeaux numériques, capables de surveiller en temps réel les StaRRE. Un élément central d'un jumeau numérique est le modèle de procédé (mécaniste, axé sur les données ou hybride), qui doit être alimenté en continu et automatiquement par des données de haute qualité. Lorsque des modèles mécanistes sont incorporés dans un jumeau numérique, il est essentiel de connaître les variables conventionnelles telles que les concentrations de la demande chimique en oxygène (DCO) et d'azote (N), ainsi que leurs fractionnements respectifs. Les tests de respirométrie ont été largement utilisés pour caractériser les eaux usées, évaluer les effets toxiques/inhibiteurs sur la biomasse et calibrer les modèles mathématiques. Par conséquent, l'objectif principal de ce travail de thèse est de développer une méthodologie qui utilise la respirométrie pour estimer les fractions de DCO et d'azote, ainsi que la détermination des paramètres cinétiques et stoechiométriques des boues activées. La méthodologie présentée ici est structurée en quatre étapes distinctes. La première étape concerne la collecte des données, qui a été réalisée grâce à l'utilisation d'un respiromètre automatisé installé dans une StaRRE pilote. Ensuite, l'étape de stockage et d'accès aux données a facilité le transfert des données brutes vers une infrastructure d'acquisition de données (datEAUbase). La troisième phase, axée sur le prétraitement des données, a été lancée en utilisant les informations stockées dans la datEAUbase. Pour ce faire, un algorithme a été adapté pour calculer des paramètres essentiels, notamment le coefficient de transfert de masse de l'oxygène ($K_{L}a$) du réacteur du respiromètre, la demande biochimique en oxygène à court terme (DBOct) des eaux usées et le taux de respiration exogène ($r_{O2,exo}$) de la boue activée. La dernière étape a consisté à calibrer le Activated Sludge Model No.1 à l'aide des données dérivées pendant la phase précédente. Ce processus de calibration a permis d'estimer avec succès divers paramètres cinétiques et stoechiométriques des boues activées. Enfin, le modèle calibré a été utilisé pour déterminer la proportion de DBOct attribuable à la DCO facilement biodégradable ($\textup{S}_\textup{S}$) et à l'ammonium nitrifiable ($\textup{S}_\textup{NH}$). Cette méthodologie comprend une série d'étapes conçues pour transformer les données respirométriques en information pour alimenter un jumeau numérique. Cependant, l'automatisation de ces outils est nécessaire pour permettre la caractérisation en temps réel des eaux usées et des boues activées. Cette avancée facilitera la maintenance continue des jumeaux numériques pour la surveillance continue des StaRRE dans les recherches futures. / Water Resource Recovery Facilities (WRRFs) are facing new challenges due to different stressors worldwide, resulting in an urgent need for innovative technologies. One potential solution lies in Digital Twins (DTs), capable of real-time monitoring of WRRFs. A central component of a DT is the process model (mechanistic, data-driven, or hybrid), which needs to be continuously and automatically fed with high-quality data. When mechanistic models are incorporated into a DT, it is essential to have knowledge of conventional variables such as the concentrations of Chemical Oxygen Demand (COD) and Nitrogen (N), and their respective fractions. Respirometry tests have been widely employed to characterize wastewater streams, assess toxic/inhibitory effects on biomass, and calibrate mathematical models. Therefore, the primary goal of this thesis work is to develop a methodology that utilizes respirometry to estimate COD and N fractions, along with the determination of kinetic and stoichiometric parameters of activated sludge. The methodology presented here is structured into four distinct stages. The first stage entails data collection, which was effectively accomplished through the utilization of an automated respirometer installed in a pilot WRRF. Subsequently, the data storage and access stage facilitated the transfer of raw data to a data acquisition infrastructure (the datEAUbase). The third phase, focused on data preprocessing, was initiated using the information stored in the datEAUbase. To achieve this, an algorithm was adapted to calculate essential parameters, including the oxygen mass transfer coefficient ($K_{L}a$) of the respirometer reactor, the short-term biochemical oxygen demand (stBOD) of the sampled wastewater, and the exogenous respiration rate ($r_{O2,exo}$) of the activated sludge. The final stage involved the calibration of the Activated Sludge Model No.1 using the parameters derived in the preceding phase. This calibration process allowed for the successful estimation of various kinetic and stoichiometric parameters of the activated sludge. Ultimately, the calibrated model was employed to ascertain the proportion of stBOD attributable to readily biodegradable COD ($\textup{S}_\textup{S}$) and nitrifiable ammonium ($\textup{S}_\textup{NH}$). This methodology encompasses a series of steps designed to transform respirometric data into valuable information feeding digital twins. However, automation of these tools is still required to enable real-time characterization of wastewater and activated sludge. This advancement will facilitate the ongoing maintenance of digital twins for the continuous monitoring of wastewater treatment facilities in future research.

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.

Les systèmes de traitement des eaux usées (les réseaux d'égouts urbains et les Stations de Récupération des Ressources de l'Eau (StaRRE)) font face à des défis considérables. L'accentuation des changements climatiques et l'émergence de nouvelles maladies infectieuses poussent les régulateurs à resserrer les permis d'assainissement et demander l'extraction de plus de ressources des eaux usées. Simultanément, de nouvelles méthodes de collecte d'information sont développées, qu'il s'agisse de nouveaux capteurs ou de nouvelles méthodes d'analyse. Ces nouvelles technologies produisent des données qui peuvent aider les systèmes d'assainissement à atteindre leurs objectifs. Cependant, pour qu'elles soient utilisables, il est essentiel que les données captées soient adéquatement traitées, nettoyées, gérées, interprétées et mobilisées. Dans les dernières années, des efforts considérables ont été déployés pour bien exploiter les données issues des eaux usées dans deux secteurs en particulier : au sein des StaRRE pour la création de 'jumeaux numériques' -- des modèles servant à simuler en temps-réel l'état des systèmes d'assainissement afin d'en améliorer le contrôle et l'opération -- et au niveau des réseaux d'égouts pour la surveillance du virus SARS-CoV-2 dans les eaux usées des populations. Cette thèse de doctorat porte sur le point d'intersection entre les StaRRE et la surveillance épidémiologique des eaux usées : leur soif de données de bonne qualité et suffisamment contextualisées pour être utilisables. La thèse commence avec une revue de littérature pour chaque domaine couvrant leur utilisation des données. Les efforts réalisés pour améliorer l'utilisation des données de la StaRRE pil*EAU*te(une StaRRE à l'échelle pilote située à l'Université Laval), sont alors présentés. La thèse décrit ensuite les efforts déployés pour créer un modèle de données pour l'organisation et l'interprétation des données de surveillance épidémiologique des eaux usées (WBE), le PHES-ODM. Un exemple de mobilisation de données de WBE pour le support à la décision en santé publique à l'aide de l'apprentissage automatique est alors présenté. / Wastewater systems, including sewer networks and Water Resource Recovery Facilities (WRRFs), face significant challenges due to urbanization, accelerating climate change, and new infectious diseases. These pressures demand stricter sanitation permits and more intensive resource extraction, demands that are compounded by a shortage of qualified workers in industrial economies. Advancements in data collection techniques, such as sensors and analysis protocols, can aid sanitation systems in meeting these challenges with the vast amounts of data they generate. However, to be valuable, this data must be properly processed, cleaned, managed, and interpreted. Considerable efforts have been made to utilize data from sanitation systems, particularly in two key areas: the creation of 'digital twins' in WRRFs to simulate real-time treatment processes for improved operation, optimization and control, and the use of Wastewater-Based Epidemiology (WBE) in sewer systems in response to the SARS-CoV-2 pandemic. This Ph. D. thesis investigates the critical intersection between WRRFs and WBE systems, emphasizing their need for high-quality, contextualized, and actionable data. The research begins with a literature review of each domain, applying the concept of data pipelines to wastewater systems and identifying bottlenecks that hinder knowledge creation. The pil*EAU*te pilot wastewater treatment plant at Université Laval serves as a testing ground for innovative metadata-aware data manipulation tools. The focus then shifts to the WBE domain, where a data model for storing and organizing data and metadata -- the Public Health Environmental Surveillance Open Data Model -- is developed. The final section explores how Wastewater-Based Epidemiology data, combined with machine learning, can support short-term decision-making in epidemic scenarios.

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.

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.

Cette étude a permis le développement d'une unité d'électrocoagulation, imbriquée à un système de traitement BIONEST®, qui puisse réduire les charges en phosphore des effluents provenant de résidences isolées. Cette unité, testée en laboratoire, possédait une cellule d'électrocoagulation de 2,45L munie d'électrodes bipolaires faites d'aluminium. La performance épuratrice du procédé a fait l'objet d'une optimisation par la création d'un plan factoriel d'expériences 24 '1 avec des eaux synthétiques. Quatre variables ont été analysées: la densité de courant, le temps de rétention hydraulique, la dimension des électrodes et l'espacement entre les électrodes. Par analyse statistique, un modèle de régression a été déduit permettant la prédiction de l'enlèvement du phosphore. Ce modèle exclut la quatrième variable qui s'avère non-significative. Des essais de validation du modèle ont été effectués avec des eaux usées réelles. L'efficacité épuratrice obtenue a été de 98%. D'autres polluants ont aussi été enlevés dont la DCO, les coliformes fécaux et une portion de l'azote total.

La présente étude visait à établir la capacité d’enlèvement de l’azote des effluents domestiques par le procédé à culture fixée immergée BIO-FOSSEMD, conçu pour les petites localités. Des essais ont été effectués avec une unité pilote comprenant un réacteur de 15 litres. Aéré en continu et soumis à des charges de 35 g N-NH4+ m-2 d-1 et 323 g DBO5 m-2 d-1, ce procédé a atteint 96% de nitrification, atteignant régulièrement des valeurs inférieures à 2 mg N-NH4+/L. Sous aération intermittente du réacteur, l’efficacité de l’enlèvement de NH4+ et de NO3- dépend de la durée des périodes aérobie et anoxie. Avec un cycle de 24 h comptant 75% d’aération, les concentrations en azote à l’effluent ont varié de 0,4 à 7,4 mg N-NH4+ /L et de 10 à 21 mg N-NO3-/L. Les taux maximaux de nitrification et de dénitrification s’élèvent à 58 g N-NH4+ m-2 d-1 et 52 g N-NO3- m-2 d-1, respectivement. / The present study was conducted to establish the nitrogen removal capacity for a domestic effluent of the submerged fixed-film process BIO-FOSSEMD. This process has been especially designed for small communities and is based on the use of textile as bacterial support. When aerated continuously and subjected to loads of 35 g N-NH4+ m-2 d-1 and 323 g DBO5 m-2 d-1, this process reached 96% of nitrification, while providing 98% biological oxygen demand removal and 91% suspended solids removal. Under these conditions, values lower than 2 mg N-NH4+/L were measured on a regular basis in the effluent. When the reactor is operated under intermittent aeration, NH4+ and NO3- removal efficiencies depend on the duration of aerobic and anoxic periods. With a 24 h cycle, including 75% of aeration, the effluent nitrogen concentrations varied from 0,4 to 7,4 mg N-NH4+/L and from 10 to 21 mg N-NO3-/L. Under continuous aeration, total nitrogen removal average was around 49%, reaching over 70% at some point. Similar nitrogen removal was reached under intermittent aeration. Kinetic tests conducted ex situ gave a maximal nitrification rate of 58 g N-NH4+ m-2 d-1 and a maximal denitrification rate of 52 g N-NO3- m-2 d-1.

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.

Titre de l'écran-titre (visionné le 4 décembre 2023) / Chaque jour, 10 millions de Franciliens produisent de l'eau usée, qu'il faut récolter et traiter avant de la rejeter dans la Seine. Le Syndicat interdépartemental pour l'assainissement de l'agglomération parisienne (SIAAP) s'occupe de l'acheminement de l'eau jusqu'à ses 6 stations d'épuration, et de leur opération. Pour assurer le traitement en tout temps, certaines unités de traitement, telles que les décanteurs physico-chimiques lamellaires, nécessitent une injection continue de produits chimiques, ce qui entraîne une dépense significative dans les coûts d'opération des usines. L'intégration d'un outil mathématique permettant une meilleure gestion de l'injection des réactifs entraînerait une économie sur les coûts d'opération. Bernier (2014) a développé une première version du modèle SimDec, basé sur le modèle de Takács et al. (1991), pour la prédiction de la qualité de l'effluent du décanteur physico-chimique lamellaire en connaissant la qualité d'eau de l'affluent. Même si le modèle SimDec fonctionne bien, Bernier (2014) suggère quelques améliorations, telles que l'ajout d'une meilleure caractérisation des vitesses de chute des particules. Il suggère également la division en classe de particules, comme mentionné dans les travaux de Maruéjouls et al. (2015). L'objectif principal de ce mémoire est d'étudier l'influence de la dose de coagulant sur la vitesse de décantation et la distribution des tailles de particules. Les vitesses de chute ont été estimées à l'aide d'essais ViCAs (Vitesse de Chute en Assainissement), développés par Chebbo et Gromaire (2009), lesquels permettent de connaître le pourcentage de particules décantées après une période de temps. Le coagulant utilisé, l'Alufer, est un mélange de deux coagulants commerciaux, AlCl₃ et FeCl₃, avec des fractions volumiques respectives de 60% et 40%. Le comportement étudié des courbes de distribution de vitesses de chute se rapproche des résultats de Tik (2020). Une optimisation de la concentration injectée pour maximiser la décantation est possible pour des valeurs de coagulant entre 5 mg/L et 20 mg/L et de polymère de 0,2 à 0,8 mg/L / Every day, 10 million people in the Parisian area produce wastewater, which must be collected and treated before being discharged into the Seine River. The Syndicat interdépartemental pour l'assainissement de l'agglomération parisienne (SIAAP) is responsible for transporting the water to its six treatment plants and for its treatment. To ensure treatment at all times, some treatment units, such as lamellar physical-chemical decanters, require continuous injection of chemicals, which results in a significant expense in the plants' operating costs. Incorporating a mathematical tool to better manage reagent injection would result in a savings in operating costs. Bernier (2014) developed an initial version of the SimDec model, based on the Takács et al. (1991) model, for predicting the effluent quality of the lamellar physical-chemical settler with knowledge of the influent water quality. Although the SimDec model works well, Bernier (2014) suggests some improvements, such as adding better characterization of particle fall velocities and suggests the division into particle classes, as mentioned in the work of Maruéjouls et al. (2015). The main objective of this study is to investigate the influence of coagulant dose on settling velocity and particle size distribution. Settling velocities were estimated using ViCAs (Vitesse de Chute en Assainissement, in French) tests, developed by Chebbo and Gromaire (2009), which provide the percentage of particles settled after a period of time. The coagulant used, Alufer, is a mixture of two commercial coagulants, AlCl₃ and FeCl₃, with respective volume fractions of 60% and 40%. The studied behavior of the settling velocity distribution curves is close to the results of Tik (2020). Optimization of the injected concentration to maximize settling is possible for coagulant values between 5 mg/L and 20 mg/L and polymer values between 0.2 and 0.8 mg/L.