Le non traitement et/ou le traitement inadéquat des eaux usées constitue l’une des causes principales de la pollution des ressources en eau. Pour y remédier il importe de mettre en place des infrastructures d’assainissement fonctionnelles et d’optimiser leur performance. Améliorer les stratégies de contrôle est l’action principale de cette optimisation, et la modélisation en est l’un des défis à relever. Pour ce faire, les présents travaux visent à fournir des connaissances spécifiques sur la variabilité des eaux usées urbaines de Cotonou et du Grand-Nancy et de disposer de données expérimentales qui serviront à court ou moyen termes au développement de modèle de génération d’eaux usées virtuelles. Les travaux ont consisté à échantillonner pendant plusieurs mois des eaux usées urbaines de temps sec en entrée de STEP (quartier vie-nouvelle à Cotonou et commune de Maxéville dans le Grand-Nancy) à travers des prélèvements horaires sur 24 h. A Cotonou, des prélèvements ont été aussi faits dans les collecteurs. In-situ ont été prises les mesures du débit. Au laboratoire sont faites sur les échantillons des analyses spécifiques de dosage des polluants. Une simulation des variabilités des eaux usées est également faite au moyen de modèle de génération des eaux usées virtuelles. Des travaux, il ressort les constats ci-après : - les débits en entrée de STEP (Grand-Nancy) présentent une variabilité journalière avec trois pics respectivement vers 10 h, 14 h et 21 h les jours ouvrés et caractérisée pendant les jours de week-end par une diminution de 2% (les samedis) et 9% (les dimanches) avec un retard de 2 h dans l’apparition du premier pic de la journée ; - les eaux usées de Cotonou présentent une plus forte pollution par rapport aux eaux usées urbaines du Grand-Nancy bien que l’Equivalent Habitant raccordé à La STEP de Cotonou (≈ 1 200 EH) soit de loin plus faible que celui du Grand-Nancy (≈ 275 000 EH) ; - néanmoins on note une plus forte conductivité électrique des eaux usées du Grand-Nancy ainsi qu’un excès en Europium plus élevé comparativement à ceux des eaux usées de Cotonou ; - la variabilité journalière pour l’ensemble des paramètres dans les bassins est très prononcée, exception faite pour le pH qui présente une similarité dans les deux contextes géographiques ; - le modèle de génération des eaux usées virtuelle en développement intègre bien le mode de vie du bassin de collecte du Grand-Nancy et a montré des simulations des variations du débit et de la pollution similaires aux variations expérimentales réelles ; - les recherches et le développement du modèle se poursuivent pour étendre ce dernier aux métaux lourds et l’appliquer aux bassins de collecte. Le modèle permet de combler des lacunes de données, de donner des fréquences plus élevées à la dynamique des données, de créer divers scénarii de perturbation de variabilité des eaux usées en situation virtuelle et de faire des prédictions de situations réelles pour une amélioration des performances des STEP / Untreated and / or inadequate treatment of wastewater is one of the main causes of water resource pollution. To remedy this it is important to establish functional sanitation infrastructure and optimize their performance. Improving control strategies is the main action of this optimization, and modeling is one of the challenges. To do this, the present work aims to provide specific knowledge on the variability of urban wastewater of Cotonou and Grand Nancy and to have experimental data to be used for short or medium term for the development of a generation model of virtual wastewater. The work consisted in sampling for several months the urban wastewater at the entrance of STEP (« Vie-Nouvelle » city in Cotonou and Maxéville in Grand-Nancy) through hourly samples over 24 hours. In Cotonou, samples were also taken from the collectors. In-situ were taken measurements of the flow. In the laboratory are made on samples specific analyses of pollutant dosing. Simulation of wastewater variability is also done using a virtual wastewater generation model. From the works, the following observations emerge: - flows from STEP (Grand-Nancy) show daily variability with three peaks respectively at around 10 am, 2 pm and 9 pm on weekdays and characterized on weekend days by a 2% decrease (Saturdays) and 9% (Sundays) with a delay of 2 hours in the appearance of the first peak of the day ; - Wastewater of Cotonou exhibit greater pollution than urban wastewater of Grand-Nancy although Population Equivalent connected to the STEP of Cotonou (≈ 1,200 PE) is far lower than that of Grand-Nancy (≈ 275,000 PE) ; - Nevertheless, there is a higher electrical conductivity of wastewater from Greater Nancy and a higher excess of Europium compared to that of Cotonou wastewater ; - The daily variability for all the parameters in the catchments is very pronounced, except for the pH which has a similarity in the two geographical contexts ; - the virtual wastewater generation model is well integrated with the lifestyle of the Grand-Nancy catchment basin and showed simulations of flow and pollution variations similar to actual experimental variations ; - research and model development is continuing to extend the model to heavy metals and apply it to collection basins ; The model allows to bridge data gaps, giving higher frequencies to dynamic data, create various wastewater variability distubance scenarios in virtual situation and make real situations predictions for improved performance of WWTP

La variabilité de la pollution urbaine est liée à l'activité humaine qui est elle-même très variable (journalière, hebdomadaire, annuelle, pluri-annuelle). Afin de développer un modèle qui permet de prédire ces différentes variabilités, nous avons analysé des études démographiques, de l'utilisation de l'espace à partir de données cadastrales et des photographies aériennes et réalisés, des campagnes de prélèvements sur 24h. L'exemple de la Communauté Urbaine du Grand Nancy sur l'utilisation de ces outils est illustré dans ce travail. Les résultats de campagnes de prélèvements sur trois type de sous-bassins (village semi-rural, zone résidentielle, zone résidentielle avec un grand hôpital) en fonction de l?activité humaine (jour versus nuit, repas, lavage) sont discutés. Une meilleure anticipation de la variabilité de la pollution arrivant dans les installations de traitement des eaux résiduaires permettrait d'améliorer leur gestion et donc de leur performance. Les campagnes ont également permis une meilleure compréhension de la variabilité de certains micropolluants tels que les métaux lourds. La pollution est moins variable dans une grande ville que dans une localité rurale, elle est liée aux apports des activités professionnelles sur les différents sites. La variabilité dépend de la nature du réseau de collecte, de style de vie, de la démographie du bassin de collecte (en termes de répartition spatiale et de classe d'âge, etc.), des zones étudiées. Les macro-polluants (C, N-NH4, P) et les micro-polluants métalliques (Na, K, Mg, Ca, Cu, Zn, Mn, Fe, Al) ont été caractérisés. Deux pics de pollution ont été observés : le premier pendant le matin vers 10h00 et le second pic en début de soirée vers 20h00. Pour les zones résidentielles le premier pic correspond à l'activité humaine du matin avant de quitter la maison pour travailler, le deuxième pic correspond aux activités à l'heure du retour à la maison après une journée de travail. On n'a pas trouvé un schéma propre aux zones mixtes (résidentielles avec des activités commerciales, industrielles et hospitalières). Les variations du débit et de la composition des eaux usées reproduisent très bien le cycle humain. Dans ce travail, on a tenu en compte les modifications démographiques, l'occupation du sol et le déplacement domicile-travail sur les sites étudiés / The variation of urban pollution related to human activity depends on several spatial and temporal scales: daily, weekly, annual, multi-year. To develop a model predicting this variations, different tools are used including demographic characteristics (age, sex, income), on the basis of cadastral data and aerial photographs and sampling campaigns on 24h. The use of these tools is illustrated with the example of the Urban area of Nancy. The results of sampling campaigns in three different catchments (semi-rural village, residential area, and residential area with large hospital) are discussed, considering its relation with the human activities (day versus night, meals, laundry). Better anticipating the variability of pollution which arrived to the wastewater treatment plant would improve their management and therefore their performances. These measurements also allowed a better understanding of the variability of some micropollutants such as heavy metals. The daily variation pattern in the big city is less marked than rural communities. This variability is probably related to the contributions of professional activities on different sites. It depends on the modification of the collection network, lifestyle, demographics on the water catchment, in terms of spatial distribution and age class in the studied area. The macropollution (C, N-NH4, P) and metal micropollution (Na, K, Mg, Ca, Cu, Zn, Mn, Fe, Al) were considered. Pollution peaks were observed: For residential areas, the first peak corresponds to human activity in the morning (around 10:00) before leaving home to work, the second peak corresponds to the activities at the time of returning home (around 20:00) after a day's work. We did not find a proper scheme for mixed zones (residential with commercial, industrial and hospital activities). Variations in flow and composition of the wastewater reproduce very well the human cycle, taking into account modifications in population, information on land use and daily journeys between home and work in the studied sites

Titre de l'écran-titre (visionné le 4 décembre 2023) / Située dans le sud du Québec, la rivière Bécancour prend origine à la sortie du lac Bécancour, puis coule à travers la ville de Thetford Mines et ses anciens sites miniers avant de s'élargir pour former successivement l'étang Stater, le lac à la Truite (d'Irlande), le lac William et le lac Joseph. Ces cinq plans d'eau sont aux prises avec de graves problèmes d'eutrophisation et, dans certains cas, d'ensablement/envasement. Les activités minières d'amiante menées pendant plus d'un siècle dans la région de Thetford Mines (1877-2011 EC) et les immenses haldes minières disposées le long de la rivière Bécancour ont souvent été mises en cause afin d'expliquer leur mauvaise condition. Cependant, plusieurs incertitudes demeurent en raison d'un manque d'évidences scientifiques. L'objectif général de cette thèse de doctorat est de déterminer les impacts des activités minières d'amiante et des effets parallèles et cumulatifs du développement anthropique du territoire sur l'évolution des lacs du bassin de la rivière Bécancour. Afin d'y parvenir, une approche paléolimnologique a été utilisée. Pour chacun des plans d'eau à l'étude (étang Stater et lacs Bécancour, à la Truite, William et Joseph), une carotte de sédiments d'un peu plus de 1 m de longueur a été prélevée et analysée. Plusieurs caractéristiques des couches sédimentaires ont été étudiées, notamment leur âge, densité, susceptibilité magnétique, granulométrie, ainsi que leur contenu en matière organique, carbone, azote, métaux, amiante et diatomées. Les assemblages de diatomées, dominés par des petits taxons fragilarioϊdes, préservés dans les sédiments « naturels » des lacs Bécancour, à la Truite, William et Joseph ont révélé que ces milieux présentaient un état oligotrophe au moment de la colonisation moderne de la Haute-Bécancour vers 1810 EC. Ils avaient aussi de très faibles taux d'accumulation de sédiments (< 0,1 cm an⁻¹; < 0,05 g cm⁻² an⁻¹). Le défrichement des terres et les activités agricoles survenus au cours du XIXᵉ siècle ont cependant stimulé la productivité primaire et les apports de matériel clastique. Le lac William a atteint un état mésotrophe dès ~ 1885 EC en raison de pressions vraisemblablement associées au commerce du bois et à des rejets d'eaux usées. Le niveau de dégradation des plans d'eau situés en aval de Thetford Mines a été grandement amplifié suivant les travaux de drainage et d'excavation du lac Noir (1954-1959 EC), autrefois situé en amont de l'étang Stater, à des fins d'exploitation minière. L'essor important de taxon de diatomées eutrophes (e.g., Cyclostephanos makarovae/invisitatus, Stephanodiscus hantzschii) dans les sédiments des lacs à la Truite, William et Joseph de cette époque, ainsi que plusieurs autres indicateurs tels que l'augmentation des valeurs de phosphore total inféré et de δ¹³C et la diminution du rapport C/N, indiquent que cet évènement a fortement accentué leur eutrophisation. Ceci peut être attribué à l'arrivée plus importante d'eaux usées concentrées en provenance de Thetford Mines suivant la perte du lac Noir qui agissait autrefois comme barrière tampon. La vidange du lac Noir a aussi mené à une explosion des taux d'accumulation de sédiments dans l'étang Stater et les lacs à la Truite et William. Ces plans d'eau ont continué de recevoir des quantités anormalement élevées de matériel sédimentaire (jusqu'à 1,4 cm an⁻¹; 1,0 g cm⁻² an⁻¹) dans les décennies qui ont suivi cet évènement. Les dépôts récents (≥ 1960 EC) présentent une faible teneur en matière organique et des niveaux élevés d'enrichissement en magnésium, chrome et nickel qui sont cohérents avec la signature géochimique des résidus miniers amiantés. Les résultats démontrent ainsi que les haldes situées en bordure de la rivière Bécancour s'érodent massivement vers le milieu aquatique et constituent la source moderne prédominante de sédiments dans les plans d'eau en aval de Thetford Mines. En plus de la pollution métallique, les activités et contaminants miniers ont engendré une hausse importante des taux d'accumulation et des concentrations de fibres d'amiante (atteignant jusqu'à 6,9 % en masse) dans les sédiments de tous les sites d'étude. Cette thèse démontre que les activités minières d'amiante et leurs vestiges peuvent avoir des impacts majeurs sur les écosystèmes aquatiques. La pollution associée aux haldes minières et aux eaux usées de la ville de Thetford Mines doit être mieux contrôlée afin d'assurer la préservation et la restauration des plans d'eau du bassin de la rivière Bécancour. / Located in southern Quebec, the Bécancour River originates at the outflow of lake Bécancour, then flows through the city of Thetford Mines and its old mining sites before enlarging to successively form Stater Pond ("Étang Stater"), Trout Lake ("Lac à la Truite d'Irlande"), Lake William, and Lake Joseph. These five water bodies suffer from serious eutrophication problems and, in some cases, siltation. The asbestos mining activities led over more than a century in the Thetford Mines region (1877-2011 CE) and the huge piles of mining wastes disposed of alongside the Bécancour River have frequently been blamed to explain their poor condition. However, uncertainties remain because of a lack of scientific evidence. The general objective of this doctoral thesis was to determine the impacts of asbestos mining activities and concurrent and cumulative effects of human land development on the evolution of lakes of the Bécancour River Basin. To achieve this goal, a paleolimnological approach was used. For each study site (Stater Pond and lakes Bécancour, Trout, William, and Joseph), a sediment core slightly over 1 m long was collected and analyzed. Several properties of the sediment layers were studied, including their age, density, magnetic susceptibility, grain size, as well as their organic matter, carbon, nitrogen, metal, asbestos, and diatom content. The diatom assemblages, dominated by small fragilarioid taxa, preserved in the "natural" sediments of lakes Bécancour, Trout, William, and Joseph revealed that these water bodies were oligotrophic at the onset of modern colonization in the upper Bécancour River Basin near 1810 CE. They also had very low sediment accumulation rates (< 0.1 cm yr⁻¹; < 0.05 g cm⁻² yr⁻¹). Land clearance and agricultural activities during the XIXth century stimulated primary productivity and clastic material inputs. Lake William reached a mesotrophic state as soon as ca. 1885 CE in response to pressures likely induced by timber trade and wastewater discharges. The degradation level of water bodies located downstream from Thetford Mines was greatly amplified following drainage and excavation works of Black Lake (1954-1959 CE), formerly located upstream from Stater Pond, for mining purposes. The proliferation of eutrophic diatom taxa (e.g., Cyclostephanos makarovae/invisitatus, Stephanodiscus hantzschii) in sediments of lakes Trout, William, and Joseph at this time, as well as other indicators of change such as the increase in values of inferred total phosphorus and δ¹³C, and the decrease in the C/N ratio, indicate that this event has strongly accentuated their eutrophication. This can be attributed to facilitated arrivals of more concentrated wastewater from Thetford Mines following the disappearance of Black Lake which previously had a buffer role. The drainage of Black Lake also caused sediment accumulation rates to explode in Stater Pond and lakes Trout and William. These water bodies continued to receive abnormally high amounts of sedimentary material (up to 1.4 cm yr⁻¹; 1.0 g cm⁻² yr⁻¹) during decades that followed this event. Recent depositions (≥ 1960 CE) have a low organic matter content, and high magnesium, chromium, and nickel enrichment levels consistent with the geochemical signature of asbestos tailings. Results demonstrate that the mining waste piles located alongside the Bécancour River erode massively towards aquatic environments and form the predominant modern source of sediments in water bodies downstream from Thetford Mines. In addition to metallic pollution, mining activities and contaminants led to a pronounced increase in asbestos fiber accumulation rates and concentrations (reaching up to 6.9 wt%) in sediments of all study sites. This doctoral thesis shows that asbestos mining activities and associated wastes may have major impacts on aquatic ecosystems. Pollution related to the mining waste piles and Thetford Mines wastewater must be controlled more efficiently to achieve preservation and restoration of water bodies of the Bécancour River Basin.

Cette thèse étudie l'interaction entre les stations d’épuration (STEP) et le changement climatique: soit en premier lieu la production ainsi que les émissions de gaz à effet de serre (GES), en particulier le protoxyde d’azote (N2O), généré à la STEP et en second lieu l’effet des pluies plus intenses dues aux changements climatiques sur la STEP. Des campagnes de mesure sur le terrain et la modélisation à échelle réelle ont été utilisées conjointement dans cette recherche. Une campagne de mesure d'une durée d’un mois a été réalisée dans une STEP traitant les eaux usées de 750,000 équivalents habitants, soit la STEP d’Eindhoven aux Pays-Bas. Des capteurs en ligne ont été installés dans la zone d'aération du bioréacteur. Une usine virtuelle de grande échelle, soit la STEP décrit par le Benchmark Simulation Model No.2 (BSM2), ainsi qu’une usine réelle de grande échelle, soit la STEP d’Eindhoven aux Pays-Bas, étaient incluses dans cette étude. Dans les deux cas, les modèles ont été modifiés afin de prendre en compte les GES, en particulier la production de N2O. Deux modèles de boues activées (ASM) ont été développés, soit l’ASMG1 et l’ASMG2d. En plus de la conversion de N2O par les bactéries hétérotrophes, les deux modèles sont en mesure de simuler la production de N2O par la dénitrification catalysée par les bactéries oxydant l'ammoniac (AOB). Les modèles décrivent aussi l'effet de l’oxygène dissous (OD) sur la cinétique de production de N2O par les AOB grâce à une modification de la cinétique d’Haldane. Les résultats montrent que les AOB produisent beaucoup de N2O tandis que les hétérotrophes en consomment considérablement. Les émissions de N2O augmentent lorsque les concentrations de NH4+ sont élevées et que les concentrations d’OD sont modérées (jusqu’à 2.5 mg O2/l dans cette étude). Ces conditions peuvent avoir été créées par le contrôle en cascade de NH4+-OD qui vise à réduire la consommation d'énergie en diminuant les concentrations d'OD lorsque la concentration de NH4+ est suffisamment faible. En outre, ce contrôleur en cascade est une stratégie de rétroaction à gain faible. C'est-à-dire, un retard significatif se produit entre la détection d'une augmentation de NH4+ et l'accroissement de l'aération. Toutes ces propriétés produisent des conditions favorables à la production de N2O par les bactéries AOB. Différents scénarios alternatifs ainsi que des stratégies de contrôle ont été comparés selon la qualité de l'effluent, le coût d’opération et les émissions de GES. Dans le cadre de BSM2, un bon équilibre entre la qualité de l'effluent, le coût d’opération et les émissions de GES a été obtenu avec à la mise en œuvre d'un contrôleur rétroactif pur de l’OD sur la première zone d'aération et d’un contrôleur en cascade de NH4+-DO sur les deux zones d'aération suivantes et en utilisant soit une stratégie d'alimentation étagée ou le contrôle du recyclage des boues afin de gérer les pics de débits. Mots-clés: Traitement des eaux usées par boues activées, contrôle de procédé, campagne de mesures en terrain, modélisation mathématique à échelle grandeur réelle, gaz à effet de serre, protoxyde d’azote, temps de pluie. / This PhD thesis studied the interaction between wastewater treatment plants (WWTPs) and climate change, i.e. the production and emission of greenhouse gases (GHGs), especially nitrous oxide (N2O), from WWTPs and the effect of the climate change induced more intense rain events on WWTPs. Both field measurements and full-scale modelling were pursued in this research. A one-month measurement campaign was performed by installing on-line sensors at the aeration zone of the bioreactor of a 750,000 person equivalents WWTP, i.e. the Eindhoven WWTP in the Netherlands. The models of a full-scale virtual plant, i.e. the Benchmark Simulation Model No.2 (BSM2), and a full-scale real plant, i.e. the Eindhoven WWTP in the Netherlands, were extended with respect to GHG emissions, especially the pathways involving N2O. Two types of extended Activated Sludge Models (ASM) were developed, i.e. ASMG1 for COD/N removal and ASMG2d for COD/N/P removal. Besides heterotrophic N2O production, both proposed models include N2O production by nitrite denitrification by ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and describe the DO effect on AOB N2O production by a modified Haldane kinetics term. Results showed that AOB are the major producer of N2O while the heterotrophs consume N2O considerably. The high N2O emissions occurred under high NH4+ and intermediate DO concentrations (up to 2.5 mg O2/l in this work). Such conditions can be created by NH4+-DO cascade control which aims at reducing energy consumption by lowering the DO concentrations when the NH4+ concentration is sufficiently low. Moreover, this cascade controller is a low-gain feedback control strategy, i.e. a significant delay will occur between the detection of a NH4+ increase and the increase in aeration. All these properties lead to conditions favourable to N2O production by AOB. Different alternative scenarios and control strategies were compared in terms of effluent quality, operational cost and GHG emissions. In the framework of BSM2, a good balance among effluent quality, operational cost and GHG emissions was realized by implementing a pure DO feedback controller in the first aeration zone and a NH4+-DO cascade controller in the following two aeration zones and using either step feed or sludge recycling control to deal with hydraulic shocks. Keywords: Activated sludge, wastewater treatment, process control, field measurements, full-scale mathematical modelling, greenhouse gases, nitrous oxide, wet weather conditions.

L’efficacité de la biofiltration pour le traitement du lisier de porc motive la poursuite des recherches pour l’optimisation des conditions d’opération qui, selon les modalités usuelles, peuvent entraîner la production de gaz à effet de serre (GES) dont le protoxyde d’azote (N₂O) et le méthane (CH₄). Alors que la production de N₂O est amplement documentée, des expérimentations supplémentaires sont nécessaires pour caractériser la production de CH₄. À cet effet, certains aspects de la configuration du biofiltre à milieu organique (aération, milieux filtrants) ont été modifiés afin d’en vérifier l’impact sur la production de CH₄ et la performance épuratoire. Les conditions expérimentales ont impliqué un suivi de 391 jours de trois biofiltres pilotes (1,2 m x 0,13 m²) ayant des milieux filtrants différents. Ils ont été soumis, en alternance, à une aération continue et intermittente. Les charges appliquées en carbone (DCO) et en azote (N-NH₄⁺) sur chaque prototype ont été respectivement de 0,15 et 0,03 kg.m⁻².j⁻¹. Le débit d’air, appliqué à contre-courant, a été de 2,3 m³.m⁻².h⁻¹. L’effluent gazeux a été suivi deux (2) fois par semaine (N₂O, CH₄ et débits gazeux) tandis que les affluents et effluents liquides ont été analysés deux (2) fois par mois (pH, alcalinité, DCO, NTK et NO₃⁻). Les résultats des analyses liquides montrent une bonne efficacité d’épuration pour l’enlèvement de la DCO (92 %) et du NTK (99 %) pour les conditions d’opération testées. Quant à la production de CH₄, elle a varié entre les biofiltres, lesquels ont présenté des propriétés mécaniques différentes (compaction, pertes de charge). Les principaux facteurs susceptibles d’avoir affecté la production de CH₄ sont le pH, les fortes charges en carbone et en azote appliquées en tête de colonne, ainsi que la présence d’eau et de substances inhibitrices. Une interaction entre les composés impliqués dans les réactions de dénitrification (N₂O, NO₂, NO₃) et les bactéries méthanogènes semble également avoir influencé les dégagements de CH₄ observés. Par ailleurs, l’effet de l’aération sur l’émission de CH₄ n’a été observé que pour le biofiltre 1, les émissions étant supérieures sous aération continue par rapport à l’aération intermittente (800 versus 120 g C-CH₄/m³ de lisier traité). De plus, l’efficacité du processus de biofiltration, tant pour le traitement des lisiers que pour le traitement de l’air (des odeurs et des gaz), a conduit la recherche jusqu’à la mise en route d’essais laboratoires complémentaires portant sur l’utilisation de la biofiltration comme moyen de mitigation du CH4 impliqué dans la production porcine. Les capacités d’élimination en CH₄ pour deux types de milieux filtrants (organique et inorganique) ont été comparées dans ces expérimentations. Les résultats montrent que, dans la mesure où l’apport en nitrate (NO₃) est suffisant, des efficacités pouvant atteindre 90% et 80% d’élimination du CH₄ sont observées pour le biofiltre organique et inorganique respectivement. Par ailleurs, les caractéristiques du milieu filtrant inorganique ont rendu difficile le maintien des nitrates à l’intérieur du biofiltre, résultant à une grande variabilité des performances pour ce biofiltre.

Depuis que l'assainissement des eaux usées est reconnu comme un des objectifs de développement durable des Nations Unies, le traitement et la gestion des eaux usées sont devenus plus importants que jamais. La modélisation et la digitalisation des stations de récupération des ressources de l'eau (StaRRE) jouent un rôle important depuis des décennies, cependant, le manque de données disponibles sur les affluents entrave le développement de la modélisation de StaRRE. Cette thèse vis e à faire progresser la modélisation des systèmes d'assainissement en général, et en particulier en ce qui concerne la génération dynamique des affluents. Dans cette étude, différents générateurs d'affluent (GA), qui peuvent fournir un profil d'affluent dynamique, ont été proposés, optimisés et discutés. Les GA développés ne se concentrent pas seulement sur le débit, les solides en suspension et la matière organique, mais également sur les substances nutritives telles que l'azote et le phosphore. En outre, cette étude vise à adapter les GA à différentes applications en fonction des différentes exigences de modélisation. Afin d'évaluer les performances des GA d'un point de vue général, une série de critères d'évaluation de la qualité du modèle est décrite. Premièrement, pour comprendre la dynamique des affluents, une procédure de caractérisation des affluents a été développée et testée pour une étude de cas à l'échelle pilote. Ensuite, pour générer différentes séries temporelles d'affluent, un premier GA a été développé. La méthodologie de modélisation est basée sur l'apprentissage automatique en raison de ses calculs rapides, de sa précision et de sa capacité à traiter les mégadonnées. De plus, diverses versions de ce GA ont été appliquées pour différents cas optimisées en fonction des disponibilités d'études et ont été des données (la fréquence et l'horizon temporel), des objectifs et des exigences de précision. Les résultats démontrent que : i) le modèle GA proposé peut être utilisé pour générer d'affluents dynamiques réalistes pour différents objectifs, et les séries temporelles résultantes incluent à la fois le débit et la concentration de polluants avec une bonne précision et distribution statistique; ii) les GA sont flexibles, ce qui permet de les améliorer selon différents objectifs d'optimisation; iii) les GA ont été développés en considérant l'équilibre entre les efforts de modélisation, la collecte de données requise et les performances du modèle. Basé sur les perspectives de modélisation des StaRRE, l'analyse des procédés et la modélisation prévisionnelle, les modèles de GA dynamiques peuvent fournir aux concepteurs et aux modélisateurs un profil d'affluent complet et réaliste, ce qui permet de surmonter les obstacles liés au manque de données d'affluent. Par conséquent, cette étude a démontré l'utilité des GA et a fait avancer la modélisation des StaRRE en focalisant sur l'application de méthodologies d'exploration de données et d'apprentissage automatique. Les GA peuvent donc être utilisés comme outil puissant pour la modélisation des StaRRE, avec des applications pour l'amélioration de la configuration de traitement, la conception de procédés, ainsi que la gestion et la prise de décision stratégique. Les GA peuvent ainsi contribuer au développement de jumeaux numériques pour les StaRRE, soit des système intelligent et automatisé de décision et de contrôle. / Since wastewater sanitation is acknowledged as one of the sustainable development goals of the United Nations, wastewater treatment and management have been more important then ever. Water Resource Recovery Facility (WRRF) modelling and digitalization have been playing an important role since decades, however, the lack of available influent data still hampers WRRF model development. This dissertation aims at advancing the field of wastewater systems modelling in general, and in particular with respect to the dynamic influent generation. In this study, different WRRF influent generators (IG), that can provide a dynamic influent flow and pollutant concentration profile, have been proposed, optimized and discussed. The developed IGs are not only focusing on flowrate, suspended solids, and organic matter, but also on nutrients such as nitrogen and phosphorus. The study further aimed at adapting the IGs to different case studies, so that future users feel comfortable to apply different IG versions according to different modelling requirements. In order to evaluate the IG performance from a general perspective, a series of criteria for evaluating the model quality were evaluated. Firstly, to understand the influent dynamics, a procedure of influent characterization has been developed and experimented at pilot scale. Then, to generate different realizations of the influent time series, the first IG was developed and a data-driven modelling approach chosen, because of its fast calculations, its precision and its capacity of handling big data. Furthermore, different realizations of IGs were applied to different case studies and were optimized for different data availabilities (frequency and time horizon), objectives, and modelling precision requirements. The overall results indicate that: i) the proposed IG model can be used to generate realistic dynamic influent time series for different case studies, including both flowrate and pollutant concentrations with good precision and statistical distribution; ii) the proposed IG is flexible and can be improved for different optimization objectives; iii) the IG model has been developed by considering the balance between modelling efforts, data collection requirements and model performance. Based on future perspectives of WRRF process modelling, process analysis, and forecasting, the dynamic IG model can provide designers and modellers with a complete and realistic influent profile and this overcomes the often-occurring barrier of shortage of influent data for modelling. Therefore, this study demonstrated the IGs' usefulness for advanced WRRF modelling focusing on the application of data mining and machine learning methodologies. It is expected to be widely used as a powerful tool for WRRF modelling, improving treatment configurations and process designs, management and strategic decision-making, such as when transforming a conventional WRRF to a digital twin that can be used as an intelligent and automated system.

La demande croissante en carburants, ainsi que les changements climatiques dus au réchauffement planétaire poussent le monde entier à chercher des sources d’énergie capables de produire des combustibles alternatifs aux combustibles fossiles. Durant les dernières années, plusieurs sources potentielles ont été identifiées, les premières à être considérées sont les plantes oléagineuses comme source de biocarburant, cependant l’utilisation de végétaux ou d’huiles végétales ayant un lien avec l’alimentation humaine peut engendrer une hausse des prix des denrées alimentaires, sans oublier les questions éthiques qui s’imposent. De plus, l'usage des huiles non comestibles comme sources de biocarburants, comme l’huile de jatropha, de graines de tabac ou de jojoba, révèle un problème de manque de terre arable ce qui oblige à réduire les terres cultivables de l'industrie agricole et alimentaire au profit des cultures non comestibles. Dans ce contexte, l'utilisation de microorganismes aquatiques, tels que les microalgues comme substrats pour la production de biocarburant semble être une meilleure solution. Les microalgues sont faciles à cultiver et peuvent croitre avec peu ou pas d'entretien. Elles peuvent ainsi se développer dans des eaux douces, saumâtres ou salées de même que dans les terres non cultivables. Le rendement en lipide peut être largement supérieur aux autres sources de biocarburant potentiel, sans oublier qu’elles ne sont pas comestibles et sans aucun impact sur l'industrie alimentaire. De plus, la culture intensive de microalgues pour la production de biodiesel pourrait également jouer un rôle important dans l'atténuation des émissions de CO2. Dans le cache de ce travail, nous avons isolé et identifié morphologiquement des espèces de microalgues natives du Québec, pour ensuite examiner et mesurer leur potentiel de production de lipides (biodiesel). L’échantillonnage fut réalisé dans trois régions différentes du Québec: la région de Montréal, la gaspésie et le nord du Québec, et dans des eaux douces, saumâtres ou salées. Cent souches ont été isolées à partir de la région de Montréal, caractérisées et sélectionnées selon la teneur en lipides et leur élimination des nutriments dans les eaux usées à des températures différentes (10 ± 2°C et 22 ± 2°C). Les espèces ayant une production potentiellement élevée en lipides ont été sélectionnées. L’utilisation des eaux usées, comme milieu de culture, diminue le coût de production du biocarburant et sert en même temps d'outil pour le traitement des eaux usées. Nous avons comparé la biomasse et le rendement en lipides des souches cultivées dans une eau usée par apport à ceux dans un milieu synthétique, pour finalement identifié un certain nombre d'isolats ayant montré une bonne croissance à 10°C, voir une teneur élevée en lipides (allant de 20% à 45% du poids sec) ou une grande capacité d'élimination de nutriment (>97% d'élimination). De plus, nous avons caractérisé l'une des souches intéressantes ayant montré une production en lipides et une biomasse élevée, soit la microalgue Chlorella sp. PCH90. Isolée au Québec, sa phylogénie moléculaire a été établie et les études sur la production de lipides en fonction de la concentration initiale de nitrate, phosphate et chlorure de sodium ont été réalisées en utilisant de la méthodologie des surfaces de réponse. Dans les conditions appropriées, cette microalgue pourrait produire jusqu'à 36% de lipides et croitre à la fois dans un milieu synthétique et un milieu issu d'un flux secondaire de traitement des eaux usées, et cela à 22°C ou 10°C. Ainsi, on peut conclure que cette souche est prometteuse pour poursuivre le développement en tant que productrice potentielle de biocarburants dans des conditions climatiques locales. / The continuing increase in fuel demands, the dramatic situation in climate changes and the global warming are bringing the worldwide attention to the identification of alternative energy source for the production of combustibles that can replace fossil fuel. In last years, a lot of potential sources have been identified: the first potential biofuel feedstock that have been evaluated were oleaginous plants, but the utilization of vegetable, or vegetable oils, that may also be used for human feeding, could lead to the increase of food-grade oils costs and also generate ethic questions. Nevertheless, also using as biofuel sources not-edible oils, like oils from jatropha, tobacco seed or jojoba, the common problem for both edible and not-edible crops is the need to subtract arable land from agriculture and food industry. In this context, the utilization of aquatic microorganisms like microalgae as substrate for the production of biofuel seems to be the better solution. Microalgae are easy to cultivate and can grow with little or no attention, they can grow in fresh, brackish or salt water and in non-arable lands, moreover they are not edible with no consequences on food industry, and the oil productivity, with respect to the other potential biofuel sources, can be much higher. In addition, the intensive cultivation of microalgae for biodiesel production could also play an important role in CO2 mitigation. In this study, we isolated and morphologically identified Québec native micro algal species, surveyed and screened their potential for lipid (biodiesel) production. The sampling efforts made in three different regions of Québec: Montreal area, Gaspesie and Northern of Quebec; on fresh, brackish or saline water. One hundred strains were isolated from the Montreal area, characterized and screened for their lipid content and wastewater nutrient removal under different temperatures (10±2 ºC and 22±2 ºC). The high potential lipid producing algal species were selected. The use of wastewater as a substrate media decreases the economic cost realted to the biofuel production from microalgae as well as an interesting tool for wastewater treatment. We compared the biomass and lipid productivity of these strains on wastewater to a synthetic medium and identified a number of isolates that showed good growth at 10 ºC, gave a high lipid content (ranging from 20% to 45% of dry weight) or a high capacity for nutrient removal (>97% removal). Furthermore, we characterized one of the interesting strains that revealed high lipid and biomass productivity, the novel microalga Chlorella sp. PCH90. Its molecular phylogeny was established and lipid production studies as a function of the initial concentrations of nitrate, phosphate, and sodium chloride were carried out using Response Surface Methodology. Under the appropriate conditions this microalga could produce up to 36% lipid and grew well in both synthetic medium and secondary effluent from a wastewater treatment plant at both 22°C and 10°C. Thus, this strain is promising for further development as a potential biofuels producer under local climatic conditions.

La demande croissante en carburants, ainsi que les changements climatiques dus au réchauffement planétaire poussent le monde entier à chercher des sources d’énergie capables de produire des combustibles alternatifs aux combustibles fossiles. Durant les dernières années, plusieurs sources potentielles ont été identifiées, les premières à être considérées sont les plantes oléagineuses comme source de biocarburant, cependant l’utilisation de végétaux ou d’huiles végétales ayant un lien avec l’alimentation humaine peut engendrer une hausse des prix des denrées alimentaires, sans oublier les questions éthiques qui s’imposent. De plus, l'usage des huiles non comestibles comme sources de biocarburants, comme l’huile de jatropha, de graines de tabac ou de jojoba, révèle un problème de manque de terre arable ce qui oblige à réduire les terres cultivables de l'industrie agricole et alimentaire au profit des cultures non comestibles. Dans ce contexte, l'utilisation de microorganismes aquatiques, tels que les microalgues comme substrats pour la production de biocarburant semble être une meilleure solution. Les microalgues sont faciles à cultiver et peuvent croitre avec peu ou pas d'entretien. Elles peuvent ainsi se développer dans des eaux douces, saumâtres ou salées de même que dans les terres non cultivables. Le rendement en lipide peut être largement supérieur aux autres sources de biocarburant potentiel, sans oublier qu’elles ne sont pas comestibles et sans aucun impact sur l'industrie alimentaire. De plus, la culture intensive de microalgues pour la production de biodiesel pourrait également jouer un rôle important dans l'atténuation des émissions de CO2. Dans le cache de ce travail, nous avons isolé et identifié morphologiquement des espèces de microalgues natives du Québec, pour ensuite examiner et mesurer leur potentiel de production de lipides (biodiesel). L’échantillonnage fut réalisé dans trois régions différentes du Québec: la région de Montréal, la gaspésie et le nord du Québec, et dans des eaux douces, saumâtres ou salées. Cent souches ont été isolées à partir de la région de Montréal, caractérisées et sélectionnées selon la teneur en lipides et leur élimination des nutriments dans les eaux usées à des températures différentes (10 ± 2°C et 22 ± 2°C). Les espèces ayant une production potentiellement élevée en lipides ont été sélectionnées. L’utilisation des eaux usées, comme milieu de culture, diminue le coût de production du biocarburant et sert en même temps d'outil pour le traitement des eaux usées. Nous avons comparé la biomasse et le rendement en lipides des souches cultivées dans une eau usée par apport à ceux dans un milieu synthétique, pour finalement identifié un certain nombre d'isolats ayant montré une bonne croissance à 10°C, voir une teneur élevée en lipides (allant de 20% à 45% du poids sec) ou une grande capacité d'élimination de nutriment (>97% d'élimination). De plus, nous avons caractérisé l'une des souches intéressantes ayant montré une production en lipides et une biomasse élevée, soit la microalgue Chlorella sp. PCH90. Isolée au Québec, sa phylogénie moléculaire a été établie et les études sur la production de lipides en fonction de la concentration initiale de nitrate, phosphate et chlorure de sodium ont été réalisées en utilisant de la méthodologie des surfaces de réponse. Dans les conditions appropriées, cette microalgue pourrait produire jusqu'à 36% de lipides et croitre à la fois dans un milieu synthétique et un milieu issu d'un flux secondaire de traitement des eaux usées, et cela à 22°C ou 10°C. Ainsi, on peut conclure que cette souche est prometteuse pour poursuivre le développement en tant que productrice potentielle de biocarburants dans des conditions climatiques locales. / The continuing increase in fuel demands, the dramatic situation in climate changes and the global warming are bringing the worldwide attention to the identification of alternative energy source for the production of combustibles that can replace fossil fuel. In last years, a lot of potential sources have been identified: the first potential biofuel feedstock that have been evaluated were oleaginous plants, but the utilization of vegetable, or vegetable oils, that may also be used for human feeding, could lead to the increase of food-grade oils costs and also generate ethic questions. Nevertheless, also using as biofuel sources not-edible oils, like oils from jatropha, tobacco seed or jojoba, the common problem for both edible and not-edible crops is the need to subtract arable land from agriculture and food industry. In this context, the utilization of aquatic microorganisms like microalgae as substrate for the production of biofuel seems to be the better solution. Microalgae are easy to cultivate and can grow with little or no attention, they can grow in fresh, brackish or salt water and in non-arable lands, moreover they are not edible with no consequences on food industry, and the oil productivity, with respect to the other potential biofuel sources, can be much higher. In addition, the intensive cultivation of microalgae for biodiesel production could also play an important role in CO2 mitigation. In this study, we isolated and morphologically identified Québec native micro algal species, surveyed and screened their potential for lipid (biodiesel) production. The sampling efforts made in three different regions of Québec: Montreal area, Gaspesie and Northern of Quebec; on fresh, brackish or saline water. One hundred strains were isolated from the Montreal area, characterized and screened for their lipid content and wastewater nutrient removal under different temperatures (10±2 ºC and 22±2 ºC). The high potential lipid producing algal species were selected. The use of wastewater as a substrate media decreases the economic cost realted to the biofuel production from microalgae as well as an interesting tool for wastewater treatment. We compared the biomass and lipid productivity of these strains on wastewater to a synthetic medium and identified a number of isolates that showed good growth at 10 ºC, gave a high lipid content (ranging from 20% to 45% of dry weight) or a high capacity for nutrient removal (>97% removal). Furthermore, we characterized one of the interesting strains that revealed high lipid and biomass productivity, the novel microalga Chlorella sp. PCH90. Its molecular phylogeny was established and lipid production studies as a function of the initial concentrations of nitrate, phosphate, and sodium chloride were carried out using Response Surface Methodology. Under the appropriate conditions this microalga could produce up to 36% lipid and grew well in both synthetic medium and secondary effluent from a wastewater treatment plant at both 22°C and 10°C. Thus, this strain is promising for further development as a potential biofuels producer under local climatic conditions.

Afin de répondre aux objectifs de la directive cadre sur l'eau (DCE 2000/60/CE) fixés par la réglementation européenne, la majorité des études se sont concentrées sur l'évaluation de la qualité des rejets industriels, des eaux usées traitées...Rares sont les études réalisées sur les eaux pluviales. Ces dernières peuvent être rejetées sans traitement dans les cours d'eau et donc avoir un impact sur l'écosystème aquatique. Ainsi, ce travail s'est intéressé, sur des bassins versant urbanisés ayant un gradient d'urbanisation allant du pavillonnaire à l'urbain dense, à la pollution des eaux pluviales puis une comparaison avec les eaux usées a été entreprise. Cette évaluation s'est traduite par la mise en place d'une liste de 88 polluants urbains à suivre dans le cadre de l'évaluation de la qualité des eaux urbaines. Puis, une méthodologie d'analyse, nommée « screening » a été développée. Elle permet une mesure des polluants urbains sous les formes particulaire et dissoute. Une notion souvent absente dans la littérature mais d'une grande importance pour les gestionnaires des réseaux d'assainissement et des stations d'épuration et de dépollution des eaux pluviales. Ce travail a ainsi permis : - La caractérisation fine de la pollution des différents types de matrices urbaines (eaux usées de temps sec de réseaux unitaire et séparatif (n=8), eaux pluviales du réseau séparatif (n=20), dépôts du réseau unitaire (n=2) et retombées atmosphériques (n=5), en termes d'occurrence, de répartition de la pollution entre les phases dissoute et particulaire, de teneurs (mg/kg.ms), de concentrations totales (Rg/L) et de flux (g/ha actif) des 88 polluants urbains ; - La comparaison de la pollution des eaux pluviales à l'exutoire de bassins versants d'occupation du sol différente ; - L'évaluation à l'échelle d'un bassin versant pavillonnaire de la contribution des retombées atmosphériques à la pollution des eaux pluviales ; - L'estimation de la dangerosité des eaux pluviales à l'aide d'une approche simplifiée d'évaluation de leur impact sur le milieu récepteur avec ou sans traitement de la phase particulaire par les stations de dépollution des eaux pluviales ; - La comparaison novatrice, sur un même échantillon, des méthodes d'analyse « standard » (conduite sur la phase totale, soit l'échantillon brut) avec notre méthode dite « screening », appliquées sur les phases dissoute et particulaire, pour 88 polluants dans un laboratoire accrédité COFRAC. Les résultats mettent en évidence la problématique de la pollution des eaux urbaines par 66 substances chimiques sur les 88 recherchées. Les eaux pluviales strictes sont contaminées par 12 substances prioritaires, 8 substances dangereuses prioritaires de la DCE et 35 polluants urbains plus spécifiques. La pollution est essentiellement particulaire pour les HAP, les PCB, les organoétains, les métaux alors qu'elle est mieux répartie entre les deux phases pour les phtalates, les pesticides et les alkylphénols. Le ruissellement est le principal contributeur de cette pollution à l'exutoire des bassins versants pluviaux. Les polluants générés par le milieu urbain sont comparables indépendamment de l'occupation du sol exceptés pour les pesticides sur le site pavillonnaire et les COV sur le site urbain dense, plus abondants. Le rejet direct des eaux pluviales nécessite, pour certaines substances, une dilution de 10 à 1000 par le milieu récepteur pour respecter les normes de qualité environnementale. Pour les eaux usées, les polluants sont, en majorité, véhiculés sous les deux formes dissoute et particulaire à l'exception des PCB qui sont à 100 % particulaires. Enfin, l'analyse de ces polluants sur l'échantillon brut (MES de 71 à 380 mg/L) sousestime fortement les concentrations des substances dans les eaux avec une prise en compte médiocre de la fraction particulaire de la pollution.

Douze contaminants émergents (composés pharmaceutiques, pesticides et hormones) ont été quantifiés et extraits de l'eau de rivières et d’échantillons d'eaux usées municipales. La séparation des solides en suspension est effectuée par filtration des échantillons d'eau. L'effet de filtration sur les concentrations de contaminants dissous a été évaluée afin de minimiser les pertes de composés cibles. Les échantillons ont été lyophilisés et ont été extraits en deux cycles par ultrasons combinés avec une étape de nettoyage sur cartouche d’extraction de type C18. La quantification a été réalisée en utilisant la spectrométrie de masse. Les recouvrements de la méthode pour tous les composés ont varié de 68 à 112% dans toutes les matrices étudiées, sauf pour le sulfaméthoxazole et le diclofénac où des recouvrements plus modestes ont été obtenus (38 à 85%). Les limites de détection pour les 12 analytes dans les sédiments et particules en suspension (SPM) de la rivière variaient de 0,7 à 9,4 ng g-1 et de 21 à 92 ng g-1, pour les échantillons SPM de station d'épuration. Tous les contaminants émergents cibles ont été détectés à des concentrations variant de 3 à 5440 ng g-1 dans les matrices étudiées, les concentrations les plus élevées ont été observées dans les échantillons SPM de stations d'épuration. Une partie importante de certains de ces contaminants est clairement associée aux sédiments de rivière ou aux particules en suspension. L’optimisation des processus de traitement de l'eau et le devenir environnemental doit absolument tenir compte de la fraction de contaminants qui liée à des particules si on espère avoir un bilan de masse raisonnable. / We developed a protocol to quantify 12 emerging contaminants (pharmaceuticals and hormones) and pesticides extracted from suspended particulate matter (SPM) of river water and municipal wastewaters samples. The separation of suspended solids was carried through filtration of water samples. We tested a series of 6 different filter types. The effect of filtration on the concentrations of dissolved contaminants was evaluated in order to minimize losses of target compounds. The river bottom sediments samples were lyophilized and both SPM and sediment samples were subjected to ultrasonic extraction combined with C18 cartridge clean-up. Quantifications were realized using mass spectrometry. The overall method recoveries of all compounds ranged from 38 to 112 % in all studied matrices, poor recoveries were achieved for sulfamethoxazole and diclofenac (recoveries for all other compounds in the wastewater treatment plant (WWTP) samples were 68 to 111%). The detection limits in sediments and SPM from river samples for the 12 analytes varied from 0.7 to 9.4 ng g-1 and from 21 to 92 ng g-1 for WWTP SPM samples. All target emerging contaminants were detected with concentrations ranging from 3 to 5440 ng g-1 in the studied matrices, with the highest concentrations observed in WWTP SPM samples. A significant portion of some of those contaminants is clearly associated with bottom sediments or suspended particulates. Optimization of water treatment processes and environmental fate must absolutely consider the fraction of contaminants which is particulate-bound if one hopes to have a reasonable mass balance.