Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2006. / Bibliogr. Publié aussi en version électronique.

L’apport de biosolides mixtes de papetières (BP) aux sols agricoles permet d’assurer l'approvisionnement en nutriments et d’améliorer les propriétés chimiques et biologiques du sol. Toutefois, l’acidification du sol, la mobilité des métaux et le lessivage des nutriments peuvent représenter un défi lorsque les BP sont appliqués sur les sols agricoles. Pour sa part, le biochar influence positivement le pH du sol et la rétention des nutriments et des métaux lourds, ce qui permet de prévenir le lessivage de certains nutriments et ainsi améliorer l’efficacité d’utilisation des fertilisants. La co-application de ces deux amendements sur les sols agricoles du Quebec a fait l’objet de peu d’etudes et pourrait représenter une option très intéressante pour améliorer leur efficacité agronomique. L’objectif de cette thèse était de déterminer comment la co-application des BP et du biochar de pin (Pinus strobus L.) affecte les propriétés chimiques et biologiques de deux sols agricoles. Spécifiquement, cette thèse a évalué l’effet de l’amendement de deux sols acides agricoles (argile et loam sablonneux) avec deux types de BP, variant par le rapport carbone (C)/azote (N) (BP1, C/N=24 et BP2, C/N=13) et le pH (BP1, pH = 7,80 et BP2, pH = 4,51), combinés chacun avec trois taux d’application (0%, 2,5% et 5% poids/poids) de biochar de pin produit à 700 °C. Une incubation a été réalisée dans des conditions contrôlées pendant 224 jours à 25 ºC en utilisant un dispositif en blocs complets aléatoires avec trois répétitions. Les résultats ont démontré que la co-application des BP et du biochar de pin a augmenté le pH du sol, l’activité et la biomasse microbienne et les concentrations de C total et du potassium (K) disponible et a diminué les concentrations de N minéral, et de cuivre (Cu) et de fer (Fe) disponible comparativement à l’application de BP uniquement. L’effet de la co-application des BP et du biochar de pin a été influencé par le taux de biochar, le type de BP et le temps d’incubation. Cette thèse a démontré que la co-application des BP et du biochar de pin s’avère plus bénéfique pour les sols agricoles qu’une application des BP seuls. Elle permet notamment l’augmentation de la matière organique, l’apport plus important en éléments nutritifs, l’amélioration de la rétention des ions nitrate, la prévention de la libération/désorption des métaux lourds en augmentant le pH du sol et l’amélioration du potentiel de recyclage des nutriments en favorisant l’activité et la biomasse microbienne du sol. / Paper mill biosolids (PB) supply plant nutrients and improve soil chemical and biological properties. However, soil acidification, metal mobility and nutrient leaching may present challenges in soil receiving PB. The application of biochar can increase soil pH and nutrient and metal retention, which helps prevent metal toxicity and nutrient leaching and improves the efficient fertilizer use. To our knowledge, the effect of co-applying PB and biochar on the properties of Quebec agricultural soils has not yet been evaluated and could be an interesting way to improve their agronomic efficiency. The objective of this thesis was to determine how co-applying PB and biochar affects soil chemical and biological properties. Specifically, this thesis evaluated the effect of amending two acidic soils, a clay and sandy loam, with two PB types varying in carbon (C)/nitrogen (N) ratio (PB1, C/N=24; and PB2, C/N=13) and pH (PB1, pH = 7.80; and PB2, pH = 4.51) co-applied with three rates (0%, 2.5%, and 5% w/w) of pine (Pinus strobus L.) biochar produced at 700 °C. A 224 days microcosm incubation study was conducted under controlled conditions at 25°C, using a randomized complete block design with three replicates. The results showed that the co-application of biochar and PB increased soil pH, microbial activity and biomass, and total C and available potassium (K) concentrations, and decreased mineral N, and available copper (Cu) and iron (Fe) concentrations compared to the application of PB only. The effect of the co-application of biochar and PB depended on biochar rate, PB type, and incubation time. This thesis showed that co-applying biochar and PB can be more beneficial to agricultural soils than application of PB alone by increasing organic matter, supplying nutrients, improving NO3-N retention, preventing metal toxicity by raising pH and improving the potential of nutrient cycling by promoting microbial activity and biomass.

La crainte d'une perte de compétitivité industrielle est au cœur des débats sur de nouvelles politiques énergétiques et environnementales. Cette thèse étudie les effets d'une asymétrie des prix de l'énergie et des régulations environnementales entre pays sur la compétitivité de l'industrie manufacturière en Europe et dans le Monde. Dans un premier temps, les principaux déterminants de la compétitivité de deux industries grandes consommatrices d'énergie, la sidérurgie et l'industrie du papier, sont identifiés par des méthodes économétriques. Le rôle de l'énergie est ensuite quantifié et pondéré par rapport à ces déterminants. Notamment, l'évolution des exportations et de la production d'une industrie nationale ainsi que les changements de capacité des sites de production sont analysés. Dans un second temps, une hausse des prix de l'énergie, ou l'instauration d'une contrainte environnementale, n'affecte pas uniquement les secteurs grands consommateurs d'énergie mais aussi les industries en aval de la chaîne de production industrielle. L'échelle de l'étude est alors étendue à toute l'industrie manufacturière sur un périmètre mondial. L'objectif est d'appréhender les interdépendances énergétiques des secteurs industriels, en incluant les différences nationales et sectorielles, au travers d'une étude matricielle sur les tableaux entrées-sorties. La dépendance de l'industrie aux prix de l'énergie, et donc sa compétitivité, n'est pas seulement un enjeu national, mais une problématique européenne, voire mondiale.

La crainte d'une perte de compétitivité industrielle est au cœur des débats sur de nouvelles politiques énergétiques et environnementales. Cette thèse étudie les effets d'une asymétrie des prix de l'énergie et des régulations environnementales entre pays sur la compétitivité de l'industrie manufacturière en Europe et dans le Monde. Dans un premier temps, les principaux déterminants de la compétitivité de deux industries grandes consommatrices d'énergie, la sidérurgie et l'industrie du papier, sont identifiés par des méthodes économétriques. Le rôle de l'énergie est ensuite quantifié et pondéré par rapport à ces déterminants. Notamment, l'évolution des exportations et de la production d'une industrie nationale ainsi que les changements de capacité des sites de production sont analysés. Dans un second temps, une hausse des prix de l'énergie, ou l'instauration d'une contrainte environnementale, n'affecte pas uniquement les secteurs grands consommateurs d'énergie mais aussi les industries en aval de la chaîne de production industrielle. L'échelle de l'étude est alors étendue à toute l'industrie manufacturière sur un périmètre mondial. L'objectif est d'appréhender les interdépendances énergétiques des secteurs industriels, en incluant les différences nationales et sectorielles, au travers d'une étude matricielle sur les tableaux entrées-sorties. La dépendance de l'industrie aux prix de l'énergie, et donc sa compétitivité, n'est pas seulement un enjeu national, mais une problématique européenne, voire mondiale. / A loss of industrial competitiveness is a major concern for energy and environmental policy design. This thesis studies the impacts of energy prices and environmental regulation asymmetries among countries on the competitiveness of the manufacturing industry in Europe and in the World. First, main factors of competitiveness in two energy-intensive industries, steel and paper sectors, are identified with econometric methods. The role of energy is then quantified and weighted relatively to these other factors. In particular, the evolution of exports and production for a national industry, as well as changes in production capacities of a factory, are analysed. Secondly, high energy prices, or a new environmental regulation, do not impact only energy-intensive industries but also downstream manufacturing sectors. The scale of the research is therefore extended to the whole manufacturing industry on a global scope. The objective is to grasp energy interdependencies between industrial sectors all along the production chain, including national differences in energy use. The study is based on a matrix calculation method using Input-Output tables. Energy dependence of national industries is not only a domestic issue, but also an international one.

L’objectif de ce travail consiste à recycler les boues secondaires (BS) et explorer leur potentiel comme co-adhésif de l’urée-formaldéhyde (UF) dans la fabrication des panneaux de particules. Nous avons posé l’hypothèse qu’il est possible de valoriser les BS comme co-adhésifs pour la fabrication de panneaux de particules. Deux approches ont été adoptées: La première consiste à évaluer les possibilités de modification de l’UF par l’ajout des BS pour synthétiser un nouvel adhésif. Les résultats ont montré que le temps de polymérisation de la résine est très court et nous avons conclu que cette approche n’est pas applicable à l’échelle industrielle. Bien que la première approche ait été rejetée, des conclusions peuvent en être tirées. Premièrement, les caractéristiques des BS varient avec le procédé papetier, l’usine d’origine et le temps d’échantillonnage. Deuxièmement, les thermogrammes d’analyses par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) montrent que l’influence de la BS sur la cuisson de l’UF est importante. Troisièmement, les analyses de résonance magnétique nucléaire (RMN) montrent qu’il existe un rapport optimal entre la BS du procédé chimico-thermoméchanique provenant de Bowater (PCTM (B)) et l’UF. La deuxième approche consiste à introduire in-situ les BS dans les panneaux à différentes proportions. Cette approche est techniquement faisable et a été testée avec différents types de BS (PCTM, thermo-mécanique (PTM) et kraft). Un dispositif expérimental a été mis en place pour évaluer le potentiel des BS comme co-adhésifs. Les facteurs de variation choisis sont la teneur en UF (3 niveaux), la source des BS (3 sources) et la proportion des BS (3 proportions). Il existe un ratio optimal de BS/UF selon les valeurs des cohésions internes (CI) des panneaux d’essais préliminaires. L’ajout de BS dans les panneaux ne nuit pas à la CI et peut même en entrainer une amélioration dans certains cas. La plupart des propriétés mécaniques ne sont pas influencées négativement par l’ajout des BS. Par contre, la stabilité dimensionnelle en est affectée négativement. Le principal avantage de l’utilisation des BS est qu’elles permettent de minimiser l’empreinte écologique du procédé de fabrication tout en provoquant une diminution des émissions de formaldéhyde (EF) des panneaux. / The objective of this work is to recycle secondary sludge (SS) and explore its potential as co-adhesive for Urea-formaldehyde (UF) adhesives used in particleboard manufacturing. We hypothesized that it is possible to use the SS as co-adhesive for the manufacture of composite panels made of wood particles. First, we modified UF resin by the addition of SS to synthesize a new co-adhesive. The results of the first approach showed that the curing time of the resin is very short and it was concluded that this approach is not applicable on an industrial scale. Although the first approach is rejected, some conclusions can be drawn: 1) The characteristics of the SS vary with the papermaking process, the plant and the sampling time. 2) Dynamic scanning calorimetry (DSC) thermograms show that the influence of SS on UF cure is noticeable. 3) Nuclear magnetic resonance (NMR) showed that there is an optimal ratio between the chemi-thermo-mechanical pulping CTMP (B) SS and UF. The second approach is to add SS in-situ in the process of panel making in different proportions. This approach is technically feasible and has been tested with SS from the three different sources (TMP, CTMP and Kraft). Preliminary trials were done. Then, a final experimental dispositive was set up to evaluate the potential of SS from these different processes as co-adhesives. Factors are the UF resin content (3 levels), the SS source (3 sources) and the proportion of SS (3 proportions). There was an optimal ratio of SS/UF according to the values of internal bond (IB) of particleboards from the preliminary trials. SS cannot be used as an adhesive alone for particleboards. In general, results of this study indicated that the use of SS from three different pulping processes as co-adhesive have several advantages including the possibility of manufacturing particleboards at reduced urea formaldehyde (UF) resin content and wood particles content, value-added utilization of pulp and paper sludge and, especially, reduction in formaldehyde emissions. The reduction of formaldehyde emission with the recycling of SS as co-adhesive has the most significant environmental benefit.

Les résidus solides récupérés au traitement des eaux usées des usines de pâtes et papiers sont appelés boues. La boue primaire (BP) représente une source de fibres pour l'industrie des panneaux de fibres de moyenne densité (MDF) et la boue secondaire (BS) a des propriétés adhésives. L'objectif général de l'étude est d'évaluer la faisabilité de produire des panneaux MDF à partir de BP et de BS issues de différents procédés papetiers, de résine urée-formaldéhyde (UF) et de fibres de bouleau blanc de qualité pâte. Les résidus furent échantillonnés puis caractérisés en termes de composition chimique, de pH, de capacité tampon et de longueur des fibres. Des panneaux de fibres furent fabriqués selon trois dispositifs expérimentaux où les facteurs sont : la proportion de boue, le type de boue (BP, BS), le procédé papetier (PTM, PCTM, kraft) et la teneur en résine UF (0%, 8%, 12%). La BS est riche en protéines et contient plus de lignine et moins de cellulose que la BP. La BP est donc une source de fibres et la BS est une source potentielle d'agent liant. Les boues PTM et PCTM contiennent plus de cellulose et moins de cendre (impuretés) que la boue issue du procédé kraft. Toutefois, les fibres dans les boues kraft sont plus longues. Dans la majorité des cas, le procédé papetier et le type de boue (BP, BS) eurent un effet significatif sur les propriétés des panneaux. Dans les panneaux de boue sans résine, la cohésion interne augmente et le gonflement en épaisseur diminue lorsque la teneur en BS augmente. Ce résultat fut attribué aux propriétés adhésives de la BS. Dans les panneaux MDF (boue, fibres et résine), l'augmentation de la proportion de boue a un effet négatif sur presque toutes les propriétés des panneaux. Toutefois, l'ajout de boues permit de réduire les émissions de HCHO jusqu'à 68% en comparaison avec le panneau témoin, sans effet négatif sur la CI. Les boues ont un pH et une capacité tampon plus élevés que les fibres de bois, ce qui a probablement nuit à la performance (reticulation) de l'adhésif UF.

L'industrie des bois composites, dont le besoin en fibres est grandissant, trouve de plus en plus de difficultés à s'approvisionner. Trouver de nouvelles sources de fibres est donc très important pour la bonne gestion des forêts et la santé de ce secteur économique. L'objectif de ce projet de recherche est de montrer en quoi le peuplier hybride et les boues papetières constituent une voie exploratoire intéressante en réponse à ce problème. Une trentaine de panneaux de fibres de moyenne densité (MDF) ont été fabriqués avec 12% de résine urée-formaldéhyde et différentes proportions de fibres de peuplier hybride et de fibres de boues primaires issues des procédés papetiers kraft et thermomé- canique. Ces panneaux ont alors été soumis, selon la norme ASTM D-1037, à des essais de cohésion interne, de modules d'élasticité et de rupture, de gonflement en épaisseur et de dilatation linéaire. Les profils de densité et les émissions de formaldéhyde ont également été mesurés. Les résultats montrent que le peuplier hybride satisfait très bien aux exigences de l'industrie des bois composites. Ils montrent également qu'une quantité non négligeable de fibres recyclées, soit 25% de boue kraft ou de boue thermomécanique, peut être incorporée à ces panneaux tout en respectant le plus haut grade de la norme ANSI A208.2-2009. Les boues thermomécaniques obtiennent globalement de meilleurs résultats que les boues kraft, probablement à cause de la présence de cendres dans ces dernières. Avec le plus bas grade de la norme ANSI A208.2-2009, la quantité de boue thermomécanique peut même atteindre les 75%. Les essais les plus affectés par la pré- sence de boue dans les panneaux sont la cohésion interne, la dilatation linéaire et les émissions de formaldéhyde. Pour assurer l'avenir des boues dans les composites, les recherches futures devront démontrer qu'il est possible de s'affranchir du formaldéhyde. / The wood composites industry has more and more difficulties to find raw materials. The aim of this project is to show that hybrid poplar and paper mill sludge are both sustainable fiber ressources. Thirty medium-density fiberboard panels (MDF) were produced with 12% of ureaformaldehyde resin and various ratios of hybrid poplar fibers and primary paper mill sludge from kraft and thermomechanical processes. According to the ASTM D-1037 standard method, the evaluated properties were modulus of elasticity, modulus of rupture, internal bond strength, thickness swell and linear expansion. Panel density and formaldehyde emission were also measured. The results show that MDF made from hybrid poplar fully satisfies the industrial quality requirements. Panels with 25% of kraft or thermomechanical sludge meet the ANSI A208.2-2002 MDF standard for the highest grade. Overall, kraft sludge give inferior performances than thermomechanical sludge, probably due to their high ash content. For the lowest grade of ANSI A208.2-2002 MDF standard, it is possible to increase the amount of thermomechanical sludge to 75%. Sludge plays a significant role in MDF panel properties, particularly for internal bond strength, linear expansion and formaldehyde emission. In the future, research efforts should demonstrate that formaldehyde-free composites are compatible with paper mill sludge.

Nous avons étudié la dynamique de Tazote d'un sol argileux amendé avec différents biosolides issus du traitement de lisier de porc (digestion anaérobie, floculation physicochimique, filtration, digestion aérobie) et d'usines de pâtes et papiers (boues mixtes, boues de désencrage), sous culture de maïs fourrager. Nos traitements de référence étaient un témoin sans azote, un fertilisant minéral et un lisier brut Les différents biosolides ont été caractérisés pour leur teneur en N total, N-NH4, N-NO3, C total, C dissous et pH. Les formes d'azote dans le sol (azote extractible total, azote minéral (NH4 + NO3), azote organique dissous) et les émissions de N2O par le sol ont été mesurées après l'application des biosolides. Les sols traités avec les fertilisants organiques ont produit une diminution des émissions de N?0 comparativement au fertilisant minéral en 2006 et 2007. De façon générale, les biosolides de lisier de porc ont engendré des émissions de N2O plus faibles par rapport au lisier brut. Les rendements en fourrage et les émissions de N2O ont été les plus faibles avec les boues de papetière. En particulier, la boue de désencrage a produit une forte immobilisation de l'azote. Les biosolides de lisier de porc ont produit des rendements similaires par rapport au lisier brut, mais inférieurs par rapport au fertilisant minéral qui a maintenu davantage le rendement dans la culture de maïs fourrager. Les meilleurs indicateurs expliquant les émissions de N2O, le rendement et le prélèvement d'azote du maïs fourrager étaient le contenu en azote extractible total et en azote minéral (NH4 + NO3) du sol ainsi que le contenu initial en NH4 dans le biosolide.