Lors de la valorisation de bois traité en biocarburants, la compagnie CRB Innovations génère des eaux usées. Ces eaux sont fortement contaminées en biocides. Elles contiennent entre autres des composés phénoliques, dont le pentachlorophénol (PCP) ; des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) ; du phosphore et des huiles et graisses (H&G). Elles ont aussi un potentiel hydrogène (pH) supérieur à 12. Ce mémoire porte sur l’efficacité de neuf procédés d’oxydation, simple et avancée, à décontaminer ces eaux. L’objectif du projet est l’atteinte des exigences des villes de Sherbrooke et d’East Angus concernant les rejets d’eaux dans les égouts sanitaires. Le tout doit également respecter la gamme de coûts de fonctionnement (OPEX), située entre 1 et 9 [signe de dollar]/m³ d’eaux traitées. Les procédés testés sont : UV, UV/TiO2, Fenton, H2O2, UV/H2O2, O3, O3/UV, O3/H2O2 et O3/UV/H2O2. Les critères étudiés sont, quant à eux, la réduction du pH, de la concentration en PCP et de la demande chimique en oxygène (DCO). Les procédés O3 et O3/H2O2 sont les plus favorables. Ils permettent de répondre aux exigences de pH et de PCP des deux villes après 30 minutes de traitement. Ils permettent également une réduction de la DCO de 30 et 48 % respectivement après 30 minutes. Pour les deux procédés, les conditions optimales sont un dosage d’O3 de 145 mg/L*min, un pH de 12,5 et un temps de traitement de 30 minutes. La concentration en H2O2 est de 3,75 mg/L pour O3/H2O2. Avec O3/H2O2, le pH atteint 7,75 et la concentration en PCP est de 0,07 mg/L après 30 minutes. La demande biologique en oxygène à 5 jours (DBO5) est également réduite considérablement après 30 minutes de traitement. L’efficacité du procédé est toutefois influencée par la matrice des eaux et le facteur d’échelle. Une analyse économique préliminaire a permis d’estimer qu’en conditions optimales les OPEX sont de 11,47 et 3,85 [signe de dollar]/m³ d’eau pour les procédés O3/H2O2 et O3 respectivement. Seul le procédé O3 respecte la gamme de coûts proposée par CRB. L’estimation préliminaire des coûts d’implantation (CAPEX) est de 3 millions [signe de dollar] pour les deux procédés. Compte tenu des résultats expérimentaux et économiques, le procédé O3 semble l’option la plus envisageable pour CRB. Il est toutefois important de s’assurer, par des analyses externes, que toutes les exigences des villes sont respectées avant d’utiliser ce procédé.

Les processus de transfert de pesticide dans les sols sont encore mal connus. Avec l'objectif de mieux comprendre les mécanismes impliqués, des essais dans des colonnes remplies avec différents milieux poreux (sable, limon, argilo sableux) ont été effectués en conditions de saturation et de saturation partielle en eau. Des expériences avec un traceur (KCL) ont été utilisées pour la caractérisation hydrodynamique du milieu. Les mécanismes d'interactions physicochimiques d'une molécule pesticide modèle, le pentachlorophénol (PCP) avec la matrice solide, sont mis en évidence par la comparaison des courbes de restitution du pesticide avec le traceur. Les résultats expérimentaux montrent que les interactions du PCP avec le solide sont dépendants de la succession chronologique des expériences, de la vitesse moyenne d'écoulement, du profil de la teneur en eau dans la colonne, de la concentration en PCP, du pH et de la présence de sel dans la solution injectée. L'isotherme d'adsorption du PCP sur le sable suit le modèle de Freundlich, et la restitution partielle est probablement due à une fixation irréversible du PCP ionisé ou non. Un modèle numérique, fondé sur la méthode de différences finies est proposé. La description des courbes de restitution des solutés relative au sable en condition de saturation en eau s'avère satisfaisante. En revanche, le modèle n'a pas permis de décrire complètement les courbes d'élution résultantes de créneaux injectées dans la colonne de sable saturé ensemencé avec des bactéries, ainsi que dans le sable partiellement saturé et sur le limon saturé.

La prédiction du devenir des produits chimiques dans les sols est basée sur la description de nombreux mécanismes dont l'étude est pluridisciplinaire : microbiologie, hydrologie, pédologie, génie des procédés, géochimie et modélisation mathématique. L'approche choisie est de type dynamique des systèmes permettant le découplage des mécanismes sur colonnes de sols en laboratoire, soumises à différentes conditions initiales et aux limites contrôlées. L'étude cible les interactions physico-chimiques, le transport hydrodynamique et la biodégradation du pentachlorophénol (PCP) dans un sol brun lessivé sous culture de maïs et dans un sable. Les principaux mécanismes d'interaction du PCP avec les matrices solides ont été caractérisés en parallèle sur colonne et en systèmes fermés, mettant en évidence l'importance de la matière organique, du pH et de la teneur en eau immobile dans la régulation de ces interactions. Quatre souches bactériennes capables de dégrader le PCP ont été isolées. Après un an de conservation, ces souches ont perdu leurs capacités de dégradation, ce qui nous a conduit à utiliser une bactérie connue : Rhodococcus chlorophenolicus pour l'étude du comportement des microorganismes en microcosmes et en colonnes de sol. Les résultats expérimentaux concernant un traceur de l'écoulement (Cl-) et le PCP ont été confrontés à une modélisation mathématique pour vérifier les hypothèses émises. Les mécanismes prépondérants que nous avons identifiés sont : le transport convectif, qui varie avec la nature, le degré d'humidité de la matrice solide poreuse et les vitesses d'écoulement de l'eau; les interactions physico-chimiques, qui dépendent du pH et du taux de matière organique; la biodégradation, régulée par de nombreux facteurs biotiques comme la distribution microscopique des microorganismes, les phénomènes d'adaptation ainsi que par la dynamique des populations introduites (prédation et compétition); le transport particulaire qui dépend des variations de composition et de force ionique de la solution du sol et qui peut être très important dans les sols lessivés en cas de forts épisodes pluvieux. Ce dernier mécanisme n'a pas été modélisé.