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.

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.

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

Cette thèse de doctorat vise à améliorer notre compréhension de la récupération des nutriments à partir de l'urine séparée à la source, y compris l'azote, le phosphore et le potassium. L'objectif général est de parvenir à une récupération concomitante de ces trois macronutriments. Plus précisément, il s'agit d'intégrer techniquement l'extraction de l'ammoniac, l'adsorption de Na-chabazite et de biochar, et la précipitation de struvite, dans le but d'améliorer l'efficacité de la récupération et la faisabilité économique. La principale nouveauté réside dans l'intégration technique, avec un accent particulier sur la récupération du potassium. Ainsi, la présente étude doctorale commence par une revue complète de la littérature (chapitre I), suivie de deux parties de recherche scientifique axées sur le travail expérimental avec de l'urine hydrolysée et de l'urine fraîche (chapitres II et III), respectivement, et se termine par une évaluation technico-économique dans le chapitre IV. Le chapitre I a fourni un examen critique de l'intégration des trois technologies physicochimiques clés de récupération des nutriments mentionnées ci-dessus du point de vue de la description technique du processus, de l'échelle actuelle d'application et des défis potentiels et perspectives à venir. En se concentrant principalement sur la récupération du K, le chapitre II a identifié la Na-chabazite comme un adsorbant de K approprié en raison de son efficacité de récupération du K de 91,2 % dans une solution de KCl et de sa capacité supplémentaire de récupération du P. Il a également mis en évidence la molarité élevée du Na-chabazite dans une solution de KCl. L'étude a également mis en évidence la forte molarité du NH₄⁺-N comme principal obstacle à la récupération concomitante des nutriments à partir de l'urine hydrolysée. Pour faire face à cette concurrence, l'étude menée dans le chapitre II a suivi une voie technique conventionnelle et a proposé une stratégie d'intégration technique, atteignant une efficacité de récupération de 98% pour NH₄⁺-N, 97% pour PO₄³⁻-P, et 78% pour K⁺ dans l'urine hydrolysée. Dans le chapitre III, une nouvelle approche a été introduite pour récupérer K⁺ et N sous forme d'urée à partir d'urine fraîche, empêchant ainsi la compétition entre K⁺ et NH₄⁺. Cette intégration technique innovante a permis d'atteindre une efficacité de récupération de 93% pour l'azote, 98% pour le phosphore et 81% pour le potassium dans l'urine fraîche. L'évaluation technico-économique du chapitre IV a révélé que le processus innovant nécessite environ 650 000 CAD de moins en dépenses d'investissement et devrait atteindre son seuil de rentabilité dès la 21ème année. Parallèlement, elle a également permis de comprendre les scénarios optimaux de mise en œuvre des deux procédés de récupération des nutriments, facilitant ainsi leur application potentielle à l'échelle pilote ou à grande échelle. En abordant l'effet compétitif du NH₄⁺ sur la récupération du K⁺, cette recherche contribue à la récupération efficace et concomitante des macronutriments à partir de l'urine hydrolysée et de l'urine fraîche. Elle donne accès à des connaissances de pointe sur la récupération des nutriments à partir des eaux usées et inspire des recherches futures pour de nouvelles avancées dans ce domaine. / This PhD thesis aims to enhance our comprehension of nutrient recovery from source-separated urine, including nitrogen, phosphorus, and potassium. The general objective is to achieve concomitant recovery of these three macronutrients. Specifically, it involves technical integration of ammonia stripping, Na-chabazite and biochar adsorption, and struvite precipitation, with the goal of advancing the recovery efficiency and economic feasibility. The primary novelty lies in the technical integration with a specific focus on potassium recovery. Thus, the present PhD study begins with a comprehensive literature review (Chapter I), followed by two sections of scientific research focusing on experimental work with hydrolyzed urine and fresh urine (Chapters II and III, respectively), and concludes with a techno-economic assessment in Chapter IV. Chapter I provided a critical review on the integration of the abovementioned three technologies from the perspective of process technical description, the current scale of application and potential challenges and perspectives ahead. With a primary focus on K recovery, Chapter II identified Na-chabazite as a suitable K adsorbent due to its K recovery efficiency of 91.2% in KCl solution and additional P recovery capacity. It also highlighted the high molarity of NH₄⁺-N as the main obstacle for concomitant nutrient recovery from hydrolyzed urine. To address this competition, the study conducted in Chapter II followed a conventional technical pathway and proposed a technical integration strategy, achieving a recovery efficiency of 98% for NH₄⁺-N, 97% for PO₄³⁻-P, and 78% for K⁺ in hydrolyzed urine. In Chapter III, a novel approach was introduced to recover K⁺ and N as urea from fresh urine, thereby preventing the competition between K⁺ and NH₄⁺. This innovative technical integration achieved a recovery efficiency of 93% for N, 98% for P, and 81% for K in fresh urine. The techno-economic assessment in Chapter IV revealed that the innovative process requires approximately 650,000 CAD less in capital expenditure and is expected to reach its break-even point as early as the 21st year. Meanwhile, it offered insights into the optimal scenarios for implementing both nutrient recovery processes, facilitating their potential pilot or full-scale application. By addressing the competitive effect of NH₄⁺ on K+ recovery, this research contributes to the efficient and concomitant recovery of macronutrients from both hydrolyzed and fresh urine. It provides access to state-of-the-art knowledge regarding nutrient recovery from wastewater and inspire future research for further advancements in this field.

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%.

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.

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