Th.--Méd.--Paris, 1909-1910. / Paris, 1909-1910 N ° 433.

Th.--Méd.--Paris, 1874. / Paris, 1874. Tome 12. N ° 384.

Dans un contexte interdisciplinaire, l'étude a consisté à évaluer le niveau de robustesse de procédés pilotes de biofiltration appliqués au traitement d'un effluent caractéristique des émissions de compostage de boues d'épuration, soumis à des fluctuations de charge transitoires, répétées, et d'intensité croissante. L'impact de ces perturbations a été examiné à deux niveaux, par la mesure de la résultante fonctionnelle de dégradation d'une part, et par la caractérisation de la structure génétique de la communauté bactérienne totale d'autre part. La mise en relation de ces deux composantes a fait l'objet d'une attention particulière. / The study aimed to evaluate the robustness capacity of pilot-scale biofilters applied to the treatment of sludge-composting emissions. The biofilters were submitted to repeated periodic fluctuations (shock loads) of increasing intensity. Their response was evaluated at two levels: functional resistance and resilience in terms of removal efficiency, and molecular characterization of the bacterial community structure. The objective was to establish the potential links between these two components.

L’épuration est une solution attractive pour la valorisation du biogaz. Néanmoins, les coûts associés à ces procédés constituent un frein au développement, en particulier pour l’épuration du biogaz d’origine agricole.Ces travaux ont évalué le contacteur à membranes, technologie issue du poumon artificiel, pour le développement d’un procédé d’absorption physique, robuste et répondant aux exigences de la filière. Un pilote expérimental modulaire (150-880 NL/h biogaz) a permis d’investiguer les performances du procédé en termes de rendement méthane R_CH4 et de qualité méthane y_CH4,out.Le contacteur à membranes permet de produire un biométhane répondant aux spécifications de l’injection réseau. Les paramètres opératoires clés ont été mis en évidence par un plan d’expérience. Parmi les limites connues du procédé, l’effet de l’humidification de la membrane sur le débit d’absorption du CO2 reste limité (< 10.5%) : une nouvelle description de l’humidification des pores a été proposée. La composition du gaz est plus limitante : le coefficient de transfert du CO2 est divisé par un facteur 2-3 lorsque celui-ci est présent en mélange plutôt qu’en gaz pur. Plusieurs configurations et solvants ont été testés pour améliorer les performances. L’intégration d’une boucle de recyclage et le remplacement de l’eau par une solution de sels (KCl) ont permis de déployer un procédé breveté atteignant les performances visées (R_CH4=98.7%, y_CH4,out=97.5%) : le flux membranaire est de 42 NL/m2/h CO2.En vue d’un dimensionnement industriel, un modèle original de transfert a été développé pour intégrer la géométrie interne spécifique du module membranaire. Optimisé et validé pour l’absorption de CO2 pur, cet outil numérique a nécessité l’optimisation d’une correction additionnelle inspirée des lois de diffusion pour décrire la limite observée en présence d’un mélange de gaz.Une mise à l’échelle est proposée pour 3 unités industrielles (100, 250 et 500 Nm3/h biogaz) sur la base des équipements disponibles. Les dimensionnements obtenus par analyse dimensionnelle ou par modélisation numérique diffèrent de 25 à 40 % et doivent encore être validés. / Upgrading is an attractive pathway for biogas utilization. Yet, the costs associated to these processes are still an obstacle to a widespread development, specifically in the case of farm anaerobic digestion units.This PhD has assessed membrane contactor, a technology derived from the artificial lung, for the development of a robust gas-liquid physical absorption process meeting the biogas industry expectations. A modular experimental pilot (150-880 NL/h biogas) was designed to investigate the performances in terms of methane recovery R_CH4 and methane quality y_CH4,out.The membrane contactor technology turned out to be suitable to produce a gas-grid quality biomethane. Key operating parameters were identified through a Design of Experiments. Among known process limitations, membrane wetting was found to have little influence on CO2 absorption (< 10.5%): a new pore wetting description was suggested. Gas composition was a stronger limitation: the CO2 mass transfer coefficient was divided by a factor 2-3 in the presence of a gas mixture instead of as a pure gas.Process configurations and solvents were successively tested to improve the performances. The addition of a methane recycling loop and the replacement of water by a saline solution (KCl) were combined into a patent and reached the targeted performances (R_CH4=98.7%, y_CH4,out=97.5%): the corresponding absorbed flux is 42 NL/m2/h CO2.For a process upscaling purpose, an original mass transfer model was developed to describe the specific internal geometry of the membrane module. Firstly optimized and validated for the absorption of pure CO2, this numerical tool has required an optimized additional correction inspired from diffusion laws to account for the mass transfer limitation observed for a binary gas mixture.Process designs are suggested for 3 industrial cases (100, 250 and 500 Nm3/h biogas) based on an available membrane contactor range. The process sizings resulting from the dimensional analysis methodology or numerical simulation differ from 25 to 40 % and must then be confirmed.

Cette étude porte sur le devenir du phosphore (P) des boues résiduaires de station d'épuration épandues sur les surfaces agricoles et les risques de contamination des eaux de surfaces. Les caractéristiques chimiques des boues et les formes du P ont été déterminées par des analyses élémentaires en FRX, ICP-SEA et ICP-SM ; par des extractions chimiques ; par des investigations au MEB et de la microanalyse X ainsi que par l'analyse de la DRX. La mobilité et la « bio-disponibilité » du P des boues ont été estimées par l'étude d'isothermes de désorption, de la cinétique de dilution isotopique de 32P (en conditions oxydantes ou réductrices) et des essais de culture de poireaux (avec et sans mycorhizes). Le transfert du P a été mesuré dans les eaux de ruissellement à la surface de parcelles agricoles amendées avec des boues, lors de pluies naturelles ou simulées. Les boues issues de stations équipées d'une déphosphatation biologique comportent une fraction de P très mobile, assimilable par les plantes. L'adjonction de sels de fer immobilise une part du P sous forme de phosphates de fer, la mobilité du P étant alors contrôlée par la sorption sur des oxy(-hydro)xydes de fer. L'apparition de conditions réductrices, à la faveur de l'activité biologique, concourt à la libération partielle du P. La déshydratation et le séchage des boues contribuent à accroître la part immobilisée. Le chaulage favorise la précipitation d'apatite qui rend le P inaccessible aux plantes. Les boues déshydratées forment des agrégats à la surface du sol. Le P est alors transféré au sol par lixiviation. Selon la boue, la perte de P atteint 25 à 60% dans les deux mois qui suivent l'épandage. Ce phénomène est insuffisant pour affecter la qualité des eaux de ruissellement dont le P, surtout particulaire, provient du sol. Les boues liquides provoquent une augmentation de la teneur en P soluble dans l'eau, lors de pluies intenses. Mais elles préservent la structure de la surface du sol ce qui réduit l'érosion et les pertes de P total.

Le développement rapide de l'aquaculture dans le monde rend indispensable la maîtrise de ses rejets. Par rapport aux systèmes traditionnels, les systèmes recyclés permettent de réduire les besoins en eau et le volume des rejets. Toutefois, certains nutriments dissous (nitrates, phosphates) s'y concentrent. Le lagunage à haut rendement algal (LHRA) est une des voies possibles pour éliminer ces nutriments. Au cours de ce travail, trois circuits d'élevage: un recyclé, un recyclé avec LHRA et un ouvert témoin ont été étudiés pendant un an pour évaluer l'effet (1) de la réutilisation de l'effluent épuré sur la survie, la croissance et l'alimentation de bars (2) du système d'élevage sur la santé des poissons à travers l'étude de biomarqueurs et de métaux traces bio-accumulés et (3) les conditions optimales de l'épuration algale. Si on n'observe pas d'effet marqué lié au LHRA sur les paramètres zootechniques, une légère réduction de la croissance et de l'alimentation des poissons en circuit recyclé par rapport au témoin est cependant enregistrée. On mesure une faible induction de l'activité EROD et de la SOD dans le circuit recyclé ainsi qu'une bioaccumulation de nombreux métaux dont les teneurs restent cependant très inférieures à celles recommandées pour la consommation humaine. Le traitement par LHRA supprime l'induction de la SOD et la bioaccumulation de la plupart des métaux dans les poissons du circuit recyclé. La croissance des algues et l'épuration des nutriments associée sont saisonnières et améliorées par de faibles densités algales et de forts renouvellements d'eau dans les bassins. L'étude des capacités photosynthétiques des ulves met en évidence une limitation de la croissance algale par le carbone inorganique dissous dans le LHRA. L'intégration du LHRA semble une voie d'amélioration des performances et de la qualité des poissons issus de systèmes recyclés. Par ailleurs, ce travail propose de nouveaux outils d'investigation de la santé des poissons d'élevage.

Le biogaz est une source d’énergie renouvelable, dont le potentiel est insuffisamment valorisé à l’heure actuelle. Avant toute valorisation énergétique, des traitements épuratoires coûteux (e.g. adsorption par des charbons actifs imprégnés, CAI) sont nécessaires, limitant la rentabilité économique. Un intérêt vers le développement de procédés de traitement « bon marché » est mis en évidence au travers d’études, la plupart à l’échelle du laboratoire, basées sur l’utilisation de déchets/sous-produits. Nous avons ainsi réalisé une étude de faisabilité d’un procédé d’élimination d’H2S, composé très corrosif et toxique, par des Mâchefers d’Incinération de Déchets Non Dangereux (MIDND). Une unité pilote a été installée sur la plateforme de valorisation de biogaz d’une installation de stockage de déchets non dangereux. Des essais à petite échelle (500 g) ont permis le screening de 6 différents MIDND et l’identification des paramètres influents sur le traitement d’H2S. Le transfert d’échelle (10 kg), ainsi que des conditions opératoires optimisées, ont permis d’obtenir une capacité d’adsorption des MIDND supérieure à 200 gH2S/kgMS, proche de celle de certains adsorbants commerciaux. Ce travail expérimental a été complété par un questionnement scientifique sur les mécanismes de rétention d’H2S. Un panel de techniques analytiques a permis de caractériser la matrice (avant et après traitement), de réaliser les bilans de soufre et d’identifier sa spéciation. Le mécanisme proposé repose majoritairement sur l’oxydation catalytique d’H2S en soufre élémentaire dans un contexte physico-chimique adéquat (humidité, pH, porosité, présence d’O2 et de métaux). L’intérêt économique de la mise en œuvre industrielle du procédé de désulfuration avec des MIDND a été démontré, avec une réduction conséquente des coûts de traitement par rapport à l’utilisation de CAI. Ce travail montre également l’intérêt environnemental d’un tel procédé qui entre parfaitement dans le cadre de l’économie circulaire. / Biogas is a renewable energy source, which potential is still under-evaluated. Before any energy production from biogas, costly purification treatments (e.g. adsorption by impregnated activated carbons, IAC) are necessary, limiting the economic profitability. An increasing interest in the development of "low-cost" treatments based on the use of waste/by-products is shown by several studies, most of all by tests at laboratory scale. Thus, a feasibility study of the use of Municipal Solid Waste Incineration (MSWI) Bottom ash (BA) for the removal of H2S, a very corrosive and toxic compound in biogas, has been carried out in this thesis. An experimental pilot was installed on an energy recovery plant from biogas produced in a landfill (non-hazardous waste). Small-scale trials (500 g) allowed the screening of 6 different BAs and the identification of key parameters of the desulfurization. The transfer to a bigger scale reactor (10 kg), as well as the optimized operating conditions, enabled to obtain an adsorption capacity higher than 200 gH2S/kgdy BA, similar to that of some commercial adsorbents. The on-site experimental study has been completed by a scientific investigation on the mechanisms involved on the H2S retention by BA. Several analytical techniques were used to characterize the material before and after the biogas treatment, to carry out the sulfur mass balances and to identify its chemical speciation. The proposed mechanism relies predominantly on the catalytic oxidation of H2S to elemental sulfur, in an adequate physicochemical context (moisture, pH, porosity, O2 and metal oxides). The economic benefit of an industrial implementation of the desulfurization treatment with MIDND has been demonstrated. The operational costs are reduced compared to a treatment with IAC. The environmental value of such a treatment is also shown and fits perfectly into a circular economy framework.

Les composés traces présents dans les biogaz sont un frein à leur valorisation énergétique. Trois familles ont été identifiées comme particulièrement nocives pour les catalyseurs des reformeurs externes et pour l’anode des piles à combustible de type SOFC : les composés soufrés, siliciés et chlorés. Un traitement poussé du biogaz est donc indispensable pour une telle application. Ce travail à caractère expérimental s’intéresse au développement d’un système de traitement d’affinage destiné à l’adsorption de ces composés. Des matériaux adsorbants ont été sélectionnés pour leur efficacité dans l’élimination du sulfure d’hydrogène (H2S – composé soufré), de l’octaméthylcyclotétrasiloxane (D4 – composé silicié) et du cis-1,2-dichloroéthène (C2H2Cl2 – composé chloré), molécules cibles représentatives des trois familles préjudiciables. La zéolithe étudiée présente la meilleure efficacité d’élimination de l’H2S, tandis que le gel de silice est plus adapté à l’adsorption du D4. Une étude paramétrique a mis en évidence l’influence de la hauteur de lit d’adsorbant, de la concentration en polluant, du débit de gaz, de la présence de composés traces en mélange et de l’humidité sur les performances épuratoires. Des essais sur un biogaz brut d’installation de stockage de déchets non dangereux ont montré qu’il est possible de maintenir une concentration en H2S sous le seuil de tolérance de 1 ppmvH2S du reformeur. En s’appuyant sur des caractérisations physico-chimiques des adsorbants, des hypothèses concernant les mécanismes de rétention ont été proposées pour les couples zéolithe + H2S et gel de silice + D4. L’H2S est adsorbé puis oxydé en soufre élémentaire à la surface de la zéolithe. Lors de l’adsorption sur gel de silice, le D4 semble polymériser en surface. Ces deux phénomènes empêchent la régénération des adsorbants. Une première approche de modélisation des phénomènes d’adsorption pour le couple gel de silice + D4 a permis de déterminer le coefficient global de transfert de masse. Les courbes de percée obtenues expérimentalement pour différentes masses d’adsorbant ont été simulées avec succès. Des « règles de dimensionnement » ont été proposées pour un dimensionnement industriel d’un traitement d’affinage pour une valorisation en SOFC. L’analyse technico-économique a montré que la filière SOFC envisagée est viable techniquement, mais pas économiquement, la technologie SOFC étant encore trop coûteuse par rapport aux techniques de valorisation conventionnelles. Toutefois, la solution semble prometteuse d’un point de vue environnemental. / Biogas energy use is hampered by the presence of trace compounds. Three contaminant families are particularly detrimental for external reforming catalysts and solid oxide fuel cell (SOFC) anodes: sulfur-containing compounds, volatile organic silicon compounds (VOSiC) and chlorinated compounds. Therefore, a thorough biogas treatment is necessary for such an application. This experimental work deals with the development of a polishing treatment for the adsorption of these contaminants. Adsorbents were selected for their efficiency to remove hydrogen sulfide (H2S – sulfur-containing compound), octamethylcyclotetrasiloxane (D4 – VOSiC) and cis-1,2-dichloroéthene (C2H2Cl2 – chlorinated compound), molecules representative of the three harmful families. The studied zeolite showed the best efficiency for H2S removal whereas silica gel performed best for D4 adsorption. A parametric study highlighted the influence of adsorbent bed height, contaminant concentration, gas flow rate, the presence of contaminants in mixture and humidity on purification performance. Adsorption tests with a raw landfill biogas showed that it is possible to guarantee an H2S concentration below the 1 ppmvH2S tolerance limit of the reformer. Using adsorbent physicochemical characterizations, hypothesis about retention mechanisms were proposed for the couples zeolite + H2S and silica gel + D4. H2S is adsorbed and then oxidized into elemental sulfur at the surface of the zeolite. During the adsorption on silica gel, D4 seems to polymerize on the surface. These two phenomena prevent the regeneration of the adsorbents. A first modeling approach of the adsorption phenomena involved for the couple silica gel + D4 allowed the determination of the global mass transfer coefficient. Experimental breakthrough curves obtained for different masses of adsorbent were successfully simulated. Some “dimensioning rules” were proposed for the industrial design of a polishing treatment able to produce a biogas with the quality required to feed an SOFC. The techno-economic analysis showed that the SOFC solution is technically feasible but not economically viable because SOFC technology is still too costly compared to conventional conversion devices. However, the solution seems promising from an environmental point of view.

Depuis le début des années 2000, la station d’épuration n’est plus seulement perçue comme une installation industrielle traitant les eaux résiduaires urbaines afin d’en minimiser leurs impacts sur le milieu naturel, mais aussi comme un moyen de récupérer des ressources : eau, nutriments, énergie. Ce travail de thèse traite de cette dernière ressource, l’énergie. Comment tendre vers la station d’épuration auto-suffisante en énergie, voire encore productrice d’énergie sans en affecter l’efficacité de traitement? A l’aide d’une filière de traitement ancienne revisitée : le procédé A/B (Adsorption/Bio-oxydation), le bilan énergétique de la station peut tendre vers la neutralité en réduisant les demandes liées à l’aération et en optimisant la production de biogaz. Ce travail de doctorat se concentre principalement sur la méthanisation des boues issues de ce procédé A/B afin d’en connaître leurs caractéristiques et leur digestibilité, de les comparer avec la digestion anaérobie de boues davantage connues et enfin d’utiliser ces résultats pour dresser le bilan énergétique du procédé A/B, ceci à partir des données récoltées sur un pilote de 50 m3/j installé sur la station d’épuration de Kranji à Singapour. Les boues A et B présentent respectivement les productions spécifiques de méthane respectives de 290 et 135 LCH4/kgMVentrante en conditions mésophiles. Le procédé A/B avec ses deux étages de boues activées permet de capter un maximum de carbone en première étape de traitement pour le transférer directement en digestion. En effet, la production totale de boues provient à 90% des boues A et seulement à 10% des boues B ce qui porte à 95% la production de méthane attribuée aux boues A. Ces résultats induisent une production d’énergie supérieure par rapport à une filière de traitement conventionnelle avec un seul étage de boues activées. Par ailleurs, ce procédé permet de diminuer les besoins en aération pour le traitement des pollutions carbonée et azotée, tout en gardant les mêmes efficacités de traitement. Il est ainsi possible de conclure que la filière de traitement des eaux usées en procédé A/B présente un degré d’efficacité énergétique proche de 300% (ratio entre l’énergie électrique produite à partir du biogaz et la consommation énergétique liée à l’aération), ce qui représente 73% d’auto-suffisance énergétique globale en considérant le cas de la station de Kranji en boues activées conventionnelles traitant les pollutions en carbone et en azote. / Since the early 2000’s, wastewater treatment plants (WWTP) have not been only seen as a mean to reduce the impact of the harmful emissions towards water bodies but also as a way to recover the resources contained in the raw wastewater: water, nutrients and energy. This doctorate seeks to study the latter one. How to tend to the energy self-sufficient or even energy positive WWTP without altering its treatment efficiencies? Using an old wastewater treatment process: the A/B process (Adsorption/Bio-oxidation) and state-of-the-art technologies, the energy autarky of a WWTP can become a reality by reducing its electricity consumption related to the aeration and by optimizing its energy production through anaerobic digestion. This work mainly focuses on the anaerobic digestion of the sludge produced by the A/B process. It aims at evaluating their characteristics and digestibility and thus at comparing these to the ones of better-known sludge such as primary, secondary and mixed sludge from a conventional wastewater treatment system. Eventually, these results with the addition of data collected on a 50 m3/d A/B process pilot plant on the Water Reclamation Plant of Kranji, Singapore, are used to draw the energy balance of the A/B process and to try to make a comparison to conventional systems. The A/B process produces the A and B sludge which respectively show specific methane productions of 290 and 135 LCH4/kgVSintroduced in mesophilic anaerobic digestion and can be considered quite similar to primary and secondary sludge respectively from conventional WWTPs. With its two stages of activated sludge, this process enables the early entrapment of carbon to be directly transferred to the digesters. Indeed, 90% of the sludge production comes from the A sludge in matter of Volatile Solids, which brings to 95% the biogas production to be ascribed to this sludge. Hence, the A/B process does produce more energy than a conventional single-stage activated sludge. It also reduces the aeration demand for the biological treatment of the carbon and nitrogen pollutions whilst complying with the same treatment performances. Drawing the energy balance of the A/B process leads to the conclusions that this process presents an energy efficiency of 300% by comparing only the electrical needs for the aeration (40-70% of the whole plant demand) and the electricity production from biogas generation, which, at the end, represents an energy self-sufficiency of 73% considering the Kranji conventional water reclamation plant.

Les procédés membranaires hybrides (PMH) allient la filtration membranaire basse pression à l’usage du charbon actif en poudre (CAP). Afin de diminuer les coûts opérationnels du procédé, il a été proposé de laisser vieillir le CAP dans le PMH et donc de minimiser le dosage de CAP frais. Peu d’information est disponible quant à la capacité résiduelle d’adsorption de suspensions de CAP âgées. L’importance relative de l’adsorption et de la biodégradation dans les réacteurs à CAP âgés sur le traitement des composés dissous est inconnue, ce qui empêche notamment l’optimisation du procédé. <p><p>Le principal objectif de ce projet de recherche est de décrire la performance du contacteur à CAP du PMH pour l’enlèvement de l’azote ammoniacal, du carbone organique dissous (COD), du COD biodégradable (CODB) et des micropolluants. Dans ce projet, l’emphase est placée sur l’opération du PMH avec de hauts temps de rétention de CAP. <p><p>La première phase de ce projet a consisté en une série de développements méthodologiques, base nécessaire à l’étude du CAP âgé. Des méthodes permettant la quantification de la biomasse hétérotrophe et nitrifiante colonisant le CAP âgé ont mis en évidence des densités de biomasse similaires à celle du charbon actif en grain en surface de filtre biologiques. L’irradiation aux rayons gamma a été démontrée comme une méthode adéquate pour produire des témoins abiotiques à partir de CAP de 10 et de 60 jours.<p><p>La seconde partie de cette étude s’est concentrée sur la démonstration de l’efficacité du PMH pour l’enlèvement de l’azote ammoniacal, du COD, ainsi que d’un mélange de micropolluants. Les cinétiques d’enlèvements ayant lieu au sein de des contacteurs à CAP ont été simulées en laboratoire sous diverses conditions (température, concentration en CAP, âge de CAP, matrice d’eau variable, temps de contact). Deux modèles cinétiques prédisant l’enlèvement de l’azote ammoniacal et du COD dans le PMH ont été développés sur base des simulations en laboratoire suivies sur CAP neuf, colonisé et abiotique. <p><p>De manière générale, les travaux réalisés au cours de ce doctorat ont mis en évidence le rôle majeur de l’adsorption résiduelle sur l’enlèvement de la contamination dissoute. Alors que l’enlèvement d’azote ammoniacal a majoritairement eu lieu par nitrification, le COD et les micropollutants sont principalement adsorbés sur le CAP colonisé. Il a aussi été montré que la capacité d’adsorption résiduelle des suspensions de CAP âgées peut agir en tampon, permettant de faire face à une augmentation soudaine de la concentration en azote ammoniacal, en COD ou en micropolluants. Le suivi des cinétiques d’enlèvement a permis de démontrer que la concentration, l’âge de CAP et le temps de rétention hydraulique (TRH) sont trois paramètres clefs pour l’optimisation du procédé. D’un point de vue économique, un TRH inférieur à 15 min est néanmoins désiré pour limiter les coûts du procédé. Par ailleurs, l’intérêt économique associé à l’augmentation de l’âge du CAP peut-être atténué par le besoin d’augmenter la concentration en CAP si l’adsorption est le mécanisme visé. De façon générale, ce projet démontre qu’une optimisation à l’échelle pilote du procédé est nécessaire car les objectifs de traitement, la qualité de l’eau à traiter et le fait que les 3 paramètres d’opération soient inter-reliés complexifient l’optimisation du PMH. Étant donné l’impact du TRH sur le coût du PMH, de futures recherches devraient viser à l’optimisation du mélange. <p>Hybrid membrane processes (HMPs) couple membrane filtration with powdered activated carbon (PAC). In HMPs, low-pressure membranes ensure an efficient particle removal, including protozoan parasites such as Cryptosporidium, while the PAC contactor is devoted to the removal of dissolved compounds. Such processes are emerging as a promising alternative to conventional treatment chains, which no longer allow the drinking water facilities to comply with increasingly stringent regulations on the treated water quality. To decrease the operating costs associated with virgin PAC consumption, it was suggested to let the PAC age in the PAC contactor of the process. Until now, the potential of using aged PAC in HMPs has been demonstrated for ammonia and DOC removal, but the potential to remove micropollutants remains unknown. It is suggested that the biological activity in aged PAC contactors contributes significantly to the removal of the dissolved compounds. Yet, neither the extent of the biomass on the aged PAC, nor the residual adsorption capacity, was quantified. No study focused on discriminating the mechanisms responsible for the treatment when using aged PAC suspensions. Most of the data published on HMPs using aged PAC were gathered at pilot scale under warm water conditions, yet the efficiency of the process is most likely sensitive to temperature changes. There is currently little information available on the efficiency of HMPs under cold water conditions. This lack of information hinders the optimization of the HMP, leading to sub-optimal usage of aged PAC.<p><p>The main objective of this research project is to describe the performance of the PAC contactor of HMPs in removing ammonia, dissolved organic carbon (DOC), biodegradable DOC (BDOC) and micropollutants. In particular, emphasis was placed on the operation of the HMP under high PAC residence times. On a more detailed level, the objectives of this project were (1) to develop and compare methods to quantify the biomass developed on aged PAC, (2) to develop a method to produce an abiotic control for aged PAC, (3) to characterize the removal kinetics of ammonia, DOC, BDOC and micropollutants occurring in the carbon contactor of an HMP, (4) to evaluate the impact of water temperature on the performance of the carbon contactor of an HMP, (5) to discriminate the relative importance of adsorption versus biological oxidation as mechanisms responsible for ammonia, DOC and micropollutants removal in the PAC contactor of an HMP, and finally (6) to differentiate the relative importance of the hydraulic retention time (HRT), the PAC age and the PAC concentration as key operating parameters on the optimization of the performance of the PAC contactor of an HMP.<p><p><p>To set the basis on the study of aged PACs, the first part of this research project consisted in methodological developments i) to quantify the heterotrophic and nitrifying biomass colonizing aged PAC, and ii) to create a reliable abiotic control of the colonized PAC, which is required for discriminating the mechanisms occurring on aged PAC. Heterotrophic and nitrifying biomass quantifying methods developed for colonized granular activated carbon (GAC) were successfully adapted to the aged PAC. The preferred methods were the potential 14C-glucose respiration (PGR) rate and the potential nitrifying activity (PNA), as they quantify the active heterotrophic and nitrifying biomass, which is most likely responsible for the depletion of BDOC and ammonia. An alternative method to the PGR, the potential acetate uptake (PAU) rate, was developed to alleviate the logistical and budgetary issues associated with the utilization of radio-labeled glucose. The densities (per gram of dry PAC) of both active heterotrophic and nitrifying biomasses were found comparable to that of the GAC sampled from the surface of a biological GAC filter. The gamma-irradiation was demonstrated as a reliable method to produce abiotic samples from soils, and was therefore chosen to produce abiotic colonized PAC samples in this project. In order to determine the optimized dosage of gamma-rays, increased doses were applied on PAC samples. Heterotrophic plate counts and methylene blue adsorption kinetics were used to determine respectively the lowest gamma ray dose required to inhibit the bacterial activity, and the highest dose that could be applied without affecting the aged PAC adsorption capacity and kinetics. Refractory DOC (RDOC) adsorption kinetics confirmed the accuracy of the dose chosen as the adsorptive behavior of the aged PAC was not affected. PGR rates were decreased 83% at the optimized dose. The gamma-irradiation method was therefore proven efficient and used in the following work phases of this research.<p><p>The second part of this study focused on the removal of ammonia, DOC and a mixture of micropollutants. Firstly, the PAC contactor of an HMP was simulated at lab-scale to monitor ammonia removal kinetics. Three PAC concentrations (approximately 1-5-10 g/L) of three PAC ages (0-10-60 days) were tested at two temperatures (7-22°C), in settled water with ambient influent condition (100 µg N–NH4/L) as well as under a simulated peak pollution scenario (1000 µg N–NH4/L). The kinetics evidenced that ammonia flux at pilot scale limited biomass growth (HRT = 67 min). In contrast, PAC colonization was not limited by the available surface and thus, PAC concentration was not a key operating parameter under the colonizing conditions tested (5-10 g/L). Ammonia adsorption was significant onto virgin PAC but the ammonia nitrification was crucial to reach complete ammonia removal at 22°C. When using colonized PAC, the 60-d PAC offered a better resilience to temperature decreases (78% at 7°C) as well as lower operating costs than the 10-d PAC (<10% at 7°C). Significant ammonia adsorption was also evidenced on 60-d PAC suspension, most probably due to PAC and the presence of suspended solids, but not on 10-d PAC. Adsorption and nitrifying activity were superior on 60-d PAC than on 10-d PAC at 7°C. In case of peak pollution, the process was most probably phosphate-limited but a mixed adsorption/nitrification still allowed 50% ammonia removal on 10-d and 60-d PAC at 22°C. A kinetics based model was developed to predict ammonia removals and to determine the relative importance of the adsorption and nitrification on colonized PAC under the conditions tested. <p><p>DOC, BDOC and RDOC removals occurring in the PAC contactor of an HMP were also simulated at lab-scale. Similar conditions to that of the ammonia removal kinetics were tested. The initial ammonia concentration remained untouched in the water matrices (settled water and raw water) but the BDOC-to-DOC ratio was altered by pre-ozonation (0 to 1.5 g O3/g C). The 10-d and 60-d abiotic controls were used to discriminate DOC adsorption from biodegradation. DOC biodegradation contributed marginally to DOC removal in the investigated conditions and DOC adsorption was increased at higher temperature. An original model integrating the PAC age distribution was developed to predict DOC removal in aged PAC contactors operated at steady-state. At a mean PAC residence time of 60-d, the younger PAC fraction (25-d and less) was primarily responsible for DOC adsorption (> 80%). This fraction represents 34% of the mass of PAC in the contactor. When using a water matrix with a higher initial DOC concentration (raw water) or a lower affinity for PAC (pre-ozonated settled water), the residual adsorption capacity of that older fraction was proven useful. <p><p>Lastly, a mixture of micropollutants (atrazine, deethylatrazine (DEA), linuron, microcystin, caffeine, carbamazepine, sulfamethoxazole, diclofenac, progesterone and medroxyprogesterone) was spiked at environmentally relevant concentrations (from 130 ng/L to 33 µg/L) in settled water (0 and 0.85 gO3/gC). The micropollutants concentration depletion was monitored over a period of 7h to 48 h on 1 g/L of 0-d, 10-d, 60-d PAC and gamma-irradiated 60-d PAC. Even in presence of NOM, the spiked micropollutants were rapidly adsorbed on aged PAC. No biodegradation was observed. Removals superior to 95% were reached within 5 minutes, and direct competition with NOM did not impact the efficiency of the process when micropollutants were spiked at environmentally relevant concentrations. Therefore, HMPs operated to remove DOC and ammonia can control transient micropollutant pollution and comply with the World health Organization recommendations for atrazine (2 µg/L) and microcystin (1 µg/L). However, the stricter European regulations for atrazine and DEA (0.1 µg/L) could not be met with 10-d and 60-d PAC under the operating conditions tested. Reaching such strict treatment objective would require a specific optimization of the process. <p><p>In general, this PhD research evidenced the role of the residual adsorption of aged PAC suspensions for the treatment of dissolved compounds. From the results obtained in this project, the potential of HMPs using aged PAC to remove micropollutants was evidenced. Additional research is however required to validate this potential under varied operating conditions. The modeling work improved the understanding of aged PACs. Finally, this research work provides original information on the optimization of HMPs. The optimization of the operating parameters will vary with the water quality targeted and the quality of the influent water. The PAC concentration, PAC age and HRT are inter-related. Therefore, it is recommended to optimize the operation of HMPs at pilot scale. Seasonal variations should be accounted for. An HRT of at least 15 min is required when the biological activity is mandatory to reach the water quality objectives. Lower HRT might be applied if adsorption is favored. Finally, as the HRT has a strong impact on the total cost of the process (capital and operational expenditure), PAC contactors’ hydraulic should be the point of focus of future research.& / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished