Dans la majorité des agences de transports, il est commun de restreindre la distribution de la taille des grains des MG 20 par l'utilisation de fuseaux granulométriques. Pourtant, des variations de la performance allant de subtiles à très marquées peuvent être mesurées à l'intérieur d'un même fuseau granulaire. Ceci est vrai malgré le fait que certains fuseaux sont relativement serrés, comme c'est le cas entre autres au Québec, particulièrement en termes de pourcentage de particules fines, pour contrer les effets du gel. Il semble donc nécessaire d'arriver à mieux comprendre et expliquer l'influence des modifications granulométriques sur diverses qualités que doivent présenter les MG 20. Cette thèse présente donc la synthèse d'une étude détaillée en laboratoire analysant l'effet de la granulométrie sur la performance globale des MG 20, quantifiée par la sensibilité aux contraintes mécaniques et environnementales. En caractérisant le comportement mécanique, hydrique et thermique de six courbes granulométriques de formes variées, il a été possible d'identifier les principaux indicateurs, directement ou indirectement reliés à la granulométrie, en lien avec divers types de performance des MG 20 pour trois sources de granulats typiquement retrouvées au Québec. Les résultats montrent que la sensibilité aux contraintes environnementales peut être globalement décrite par un paramètre lié à la volumétrie des particules fines et que la sensibilité aux contraintes mécaniques est reliée à divers indicateurs granulométriques liés à diverses fractions granulométriques. Afin d'arriver à proposer des matériaux ayant un comportement global bonifié pour divers contextes de performance, il a été suggéré de subdiviser la plage de variation maximale de chaque paramètre de performance en quatre niveaux de performance. Ceci permet, pour des contextes de performance typiques au Québec et leurs principaux mécanismes de dégradation associés, de suggérer des zones granulométriques relativement continues et définissant des matériaux ayant un comportement optimisé pour ces divers contextes. Cette approche offre une latitude nécessaire permettant de prendre en compte les diverses caractéristiques souhaitables des MG 20, pour les divers paramètres de performance, qui sont souvent complémentaires.

Les modèles de boues activées ASM 1, 2 et 3 de l’International Water Association (IWA) sont acceptés comme la norme dans l’industrie du traitement des eaux usées. Toutefois, plusieurs auteurs ont remarqué que les constantes cinétiques de ces modèles dépendent du type de substrat, de la configuration du procédé et de l’âge des boues. Dans ces modèles, la répartition des flux de substrat entre la croissance et le stockage est une fonction empirique.Certains auteurs ont indiqué que les constantes cinétiques des modèles de boues activées peuvent être influencés par la régulation de la production d’enzymes. Ainsi, un ingénieur cherchant à modifier un système spécifique ne peut prédire la réponse du système réel une fois les modifications apportées, ni choisir la bonne configuration ou les bonnes modifications avec le même ensemble de constantes cinétiques. Il y a 60 ans, Monod (1949) a proposé d’appliquer l’équation de Michaelis-Menten décrivant la cinétique enzymatique à une culture de microorganismes. Afin de simplifier la relation mathématique proposée, Monod (1949) réduit la cellule entière en un seul enzyme génétiquement exprimé à une seule intensité. Toutefois, le métabolisme de la cellule est basé sur un grand nombre de réactions biochimiques. Le chapitre 2 de ce travail revoit la littérature afin d’identifier les facteurs contrôlant le métabolisme de la cellule et la régulation de l’activité spécifique de la cellule. La revue de la littérature a été rédigée de façon à souligner les mécanismes de régulation qui induisent une variation du taux de croissance afin de les exprimer mathématiquement (dµ/dt). L’étude de ces mécanismes vise à modéliser la variation de l’activité spécifique. La revue est limitée aux organismes procaryotes hétérotrophes sous des conditions aérobies. Dans la littérature, des modèles cybernétiques ont été proposés pour modéliser la croissance cellulaire et portent, entre autres, sur la régulation de la production d’enzymes, c’est-à-dire sur l’induction. L’objectif de ce travail est donc de présenter un modèle de boues activées qui imite l’induction enzymatique de la biomasse active dans le cadre des modèles de boues activées. Dans le modèle proposé au chapitre 3, les taux de réaction peuvent s’ajuster aux conditions environnementales et à l’historique cellulaire. Dans un premier temps, le modèle théorique a été calé sur les données trouvées dans la littérature. Les données colligées lors d’expériences transitoires à court et à long terme ont toutes été modélisées avec le même ensemble de constantes cinétiques, ce qui n’était pas possible avec les autres modèles. Le modèle proposé offre ainsi un regard plus réaliste de l’activité spécifique de la biomasse active sous des conditions d’opération du procédé hautement variables. Dans un deuxième temps, un protocole expérimental est proposé pour évaluer l’état métabolique des microorganismes présents dans la boue activée, et évaluer la performance du modèle proposé. Le protocole a été conçu pour caractériser l’évolution de plusieurs composants intracellulaires au cours de comportements transitoires de la biomasse. Au chapitre 5, le modèle théorique proposé au chapitre 3 a été adapté au protocole expérimental et calé sur les données expérimentales obtenues. Au cours des expériences effectuées, une réduction temporaire de l’activité métabolique a été observée après que la capacité de stockage ait été comblée. Selon les simulations effectuées, et la concordance des résultats obtenus avec une revue de littérature approfondie, il semble que la régulation croisée du carbone et de l’azote puisse être utilisée pour modéliser certains comportements transitoires et la régulation des flux métaboliques vers la croissance et le stockage. Au chapitre 6, les modèles à strucuture ARN-r sont proposés afin de donner une description de l’état métabolique des microorganismes à l’aide de nouvelles techniques moléculaires et prédire l’accélération de la croissance (dµ/dt) de la boue activée. Dans ces modèles, la synthèse du système de synthèse des protéines (PSS) est décrite par un mécanisme autocatalytique. La cinétique du processus autocatalytique présente un fondement métabolique de l’accélération de la croissance et de la phase de latence. Les modèles ARN-r sont en mesure de décrire adéquatement l’accélération de la croissance pour différentes configurations de réacteurs. Ainsi, ce type de modèles fait appel à des constantes cinétiques à caractère «intrinsèque» et peut être utilisé de façon moins restrictive que les modèles à caractère plus empirique. Ceci constitue un avantage pour le développement de modèles de conception plus fiables. / For wastewater treatment, the activated sludge models (ASMs) 1, 2, and 3 of the International Water Association (IWA) are accepted as industrial standard. However, many authors have observed that the kinetic parameters of these models depend on the type of substrate, process configuration, and sludge age. Some publications showed that the kinetic parameters of ASMs could be influenced by regulation of enzyme production. In the models currently used to describe the activated sludge process, the distribution of the substrate flux between growth and storage is an empirical function. Therefore, an engineer aiming to make some modifications to a specific treatment system is not able to predict the response of the real system after the modifications and choose the right configuration or modifications with the same set of parameters. Sixty years ago, Monod (1949) proposed the application of the Michaelis Menten relation describing enzyme kinetics to a culture of micro-organisms. For the purpose of simplification, the mathematical relation proposed by Monod (1949) reduced the entire cell to a single enzyme genetically expressed at a single level. However, cell metabolism is based on a large number of biochemical reactions. Chapter 2 of this thesis reviews the literature to identify the controlling factors of cell metabolism and the regulation of the specific activity of the cell. The literature review was designed to highlight which regulation mechanisms induce a growth rate variation so that they can be expressed mathematically (dµ/dt). The study of these processes will focus on modeling the specific activity variation. The review is limited to heterotrophic prokaryote organisms growing under aerobic conditions. Cybernetic models are proposed for modeling cell growth and focus, among other things, on regulation of enzyme production, that is to say on induction. The objective of this work is to present an activated sludge model that mimics the enzymatic induction of active biomass within the framework of ASMs. In the proposed model presented in chapter 3, process rates are modulated according to the environmental conditions and cell history. In a first step, the model was fitted on the basis of data found in the literature. All data collected from short and long transient experiments were fitted with the same set of parameters, which was not possible with various models. The proposed model gave a more realistic picture of active biomass and of its specific activity under highly varying process conditions. In a second step, an experimental protocol is presented to perform the evaluation of the structured biomass model. The protocol was designed to induce transient behaviour and characterize the evolution of several internal biomass components. In chapter 5, the theoretical model proposed in chapter 3 is adapted to an experimental protocol and fitted to the collected data. In these experiments it was observed that filling the storage capacity of cells leads to special transient behaviour and a temporarily reduced metabolic activity. The model-based interpretation of the results showed that the observed transient behaviour can be explained by cross-regulation of carbon and nitrogen metabolism. Hence, according to an extensive literature review, the cross-regulation of carbon and nitrogen can be used to model some observed transient behavior and regulation of the storage process in activated sludge. In chapter 6, rRNA-structured biomass models are proposed to describe the metabolic status of cells using new molecular techniques in view of predicting the growth response (dµ/dt) of cells in the activated sludge process. The autocatalytic reaction rate of the synthesis of the PSS component (rRNA) can provide a mechanistic explanation for the growth response and the growth lag phase. The proposed models were able to properly describe and predict the growth response of the biomass in various types of reactor. Such models could be more widely applicable by using intrinsic model parameters, and this could be a key improvement as it could lead to improved models for design.

Cette étude présente le modèle bidimensionnel horizontal (2DH) de Serre qui constitue une extension de celui de Saint-Venant (SV) auquel des termes supplémentaires d'accélération verticale sont ajoutés pour tenir compte de la présence de pression dynamique dans l'écoulement. Ses hypothèses sont exposées puis ses équations constitutives sont clairement développées en vue de faciliter sa compréhension. Afin d'éliminer la principale source de difficulté justifiant son manque de popularité et le rendre compatible avec la plupart des schémas numériques, un nouveau format est ensuite établi en séparant les dérivées spatiales de celles temporelles. Partant d'une expansion en séries de Taylor de deuxième ordre, des termes de diffusion artificielle sont ajoutés aux équations dynamiques puis à celle de continuité. Le système résultant est alors résolu à l'aide de la méthode standard des éléments finis utilisant des éléments triangulaires dits non-conformes en raison de leurs intéressantes propriétés d'orthogonalité. La simulation d'un bassin en eau calme puis d'un écoulement permanent uniforme à l'aide du code Matlab® correspondant aboutit exactement aux résultats analytiques escomptés. Le test de propagation d'onde solitaire est également satisfaisant (phase et amplitude). De plus, le modèle simule également bien l'écoulement de rupture de barrage. Cependant, les ondes prédites par le modèle de SV avancent plus vite que celles de Serre. La pression dynamique retarde donc la propagation de ces ondes. L'augmentation de la pente du fond accélère les ondes aussi bien pour Serre que pour SV mais réduit l'écart entre les fronts correspondant aux deux modèles. Un comportement inverse est observé lorsque le fond devient davantage rugueux ainsi que quand le ratio des niveaux d'eau aux deux extrémités du domaine s'accroît. La méthode de diffusion ajoutée s'est également révélée efficace pour la capture des ondes de rupture de barrage sans détérioration de la qualité des résultats numériques. Enfin, après avoir éliminé l'hypothèse de fluide non visqueux selon la verticale posée par Serre, le modèle 'Saint-Venant Plus' (SVP) est développé pour pouvoir tenir compte des contraintes visqueuses verticales significatives dans certains écoulements naturels. Cependant, la resolution numérique de SVP ne fait pas partie des objectifs de cette dièse qui présente seulement une comparaison théorique de la formulation mathématique de SVP avec celles des deux autres modèles (Serre et SV).

Les bétons contenant des ajouts cimentaires subissent généralement d'importantes dégra-dations par écaillage lors des essais en laboratoire alors que le comportement de ces bé-tons en service est souvent satisfaisant. L'écaillage est influencé par une multitude de paramètres et les mécanismes responsables de ce type de dégradation demeurent mal compris. Les conditions de mise en place et de mûrissement généralement adoptées en laboratoire pourraient être responsables de la formation d'une couche superficielle de faible durabilité qui écaillerait à un taux plus rapide et qui serait plus profonde pour les bétons contenant des ajouts cimentaires. Ce projet de recherche propose une étude de l'influence de méthodes de mûrissement utilisées en chantier sur le comportement à l'écaillage évalué en laboratoire. L'effet d'une membrane drainante à la base du moule et l'effet d'un mûrissement avec une toile de jute humide ou un agent de cure chimique a été étudié sur des mélanges binaires et ternaires contenant des cendres volantes, du laitier de haut-fourneau et de la fumée de silice en différentes proportions. Les résultats montrent que la méthode de mûrissement peut avoir un effet significatif sur le comportement à l'écaillage et que cette influence dépend très fortement de la composition du mélange. L'étude de la variabilité des résultats montre que la faible reproductibilité et la faible ré-pétabilité de l'essai d'écaillage n'est pas amplifiée par la présence d'ajouts cimentaires. Les résultats soulignent l'importance de tenir compte du comportement d'un ensemble d'éprouvettes pour déterminer la résistance à l'écaillage d'un béton en laboratoire. Des essais de sorptivité et de séchage ont été réalisés sur des surfaces identiques à celles soumises à l'essai d'écaillage dans le but de caractériser la couche de surface sujette à l'écaillage. Bien que les résultats de sorptivité obtenus lors de cette étude ne permettent pas de caractériser la couche superficielle, il semble exister un lien entre la sorptivité et l'écaillage. Il ne semble pas y avoir de relation entre l'essai de séchage et l'écaillage bien que cet essai ait permis de distinguer la couche superficielle des différents bétons. Ces observations portent à croire qu'une couche superficielle plus poreuse ne serait pas entiè-rement responsable de l'écaillage des bétons contenant des ajouts cimentaires.

Pour plusieurs grandes villes nord-américaines et européennes possédant un réseau unitaire, les bassins de rétention sont devenus un moyen courant pour diminuer les rejets polluants aux cours d'eau récepteurs et pour régulariser les charges hydrauliques arrivant à la station en temps de pluie. Cependant, des études démontrent que la vidange des réservoirs a un effet négatif sur le procédé de traitement des stations d'épuration. Cette étude vise deux objectifs: (1) caractériser les eaux unitaires à l' entrée et lors de la vidange d'un réservoir de rétention par temps de pluie pour deux paramètres principaux: matières en suspension (MES) et demande chimique en oxygène (DCO) et (2) évaluer des bilans massiques de polluant à l'entrée et à la sortie d'un bassin de rétention pour estimer l'impact sur la station d'épuration des eaux usées. Pour ce faire, une campagne d'échantillonnage dans laquelle la récolte et l'analyse des eaux unitaires à l'entrée et la sortie ont eu lieu dans un réservoir de rétention utilisant un système de vidange par pompage a été réalisée. Les analyses ont démontré une grande variabilité des eaux unitaires dans le réservoir. Ensuite, on a observé que les particules semblent décanter rapidement, car on les retrouve en grandes quantités lors des premières 30 minutes de la vidange par pompage. Finalement, les bilans de masse réalisés démontrent que les réservoirs de rétention emmagasinent une importante quantité de matières, permettant d'éviter d'importantes contaminations des cours d'eau lors d'événements pluvieux. Lors de la première heure de vidange du réservoir, en moyenne 45% de la totalité des MES est envoyé à la station d'épuration des eaux usées.

La production porcine québécoise crée des problèmes locaux sévères de surplus de lisier entraînant l'eutrophisation des eaux surface et la contamination des eaux souterraines. Une technologie de traitement du lisier, le BIOSORMD-lisier, a donc été est mis au point par le Centre de Recherche Industrielle du Québec (CRIQ). Il s'agit d'un biofiltre à support organique à base de tourbe et de copeaux de bois visant le double traitement du lisier de porc et des odeurs générées dans les porcheries. Ce procédé permet d'obtenir d'excellents rendements d'épuration quant à l'enlèvement du carbone et de l'ammonium. Toutefois, les conditions d'opérations du procédé ne permettent pas d'achever la dénitrification ce qui entraîne une production significative de protoxyde d'azote (N₂O); un gaz à effet de serre très préoccupant. L'objectif de l'étude est donc de déterminer l'effet de certaines conditions d'opération (aération intermittente, volume et type de milieu filtrant et source d'alcalinité) sur la dénitrification et la production de N₂O. Pour se faire, trois biofiltres pilotes (1,2 m x 0,4 m), ayant des milieux filtrants différents, ont été soumis à une aération intermittente (4 heures aéré pour 4 heures anoxie) puis à une aération continue. Un des principaux facteurs affectant la dénitrification et les émissions de N₂O par le procédé est le taux d'aération. En effet, les émissions de N₂O ont été supérieures sous aération continue (280 (±114) g N-N₂O/ m³ de lisier traité) comparativement à l'aération intermittente (36 (± 9) g N-N₂0/ m³ de lisier traité). En plus d'améliorer les performances des biofiltres, une réduction de l'aération diminuerait considérablement les coûts d'opération du procédé. Cependant, afin de confirmer avec certitude cette hypothèse, l'étude aurait du prévoir une répétition des cycles d'aération afin de discriminer, entre le temps et le type d'aération, celui ayant le véritable effet sur les performances du système.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2009-2010 / Les modèles mathématiques servant à simuler le comportement de stations d'épurations représentent un outil puissant pour concevoir une nouvelle installation ou prédire le comportement d'une station d'épuration déjà existante. Cependant, ces modèles ne fournissent aucune information sur un système particulier sans un algorithme pour les résoudre. Il existe actuellement un grand nombre d'algorithmes d'intégration capables de calculer la solution d'un modèle avec précision. Cependant, les temps de calcul en jeux représentent toujours l'un des obstacles à une utilisation extensive des modèles. Deux approches permettent de réduire les temps de calcul, à savoir l'utilisation de matériel informatique plus puissant ou le développement de logiciels et algorithmes plus performants. L'objectif principal de ce mémoire est de proposer une troisième voie, soit la simplification automatique d'un modèle sur la base de ses valeurs propres. Le jacobien, une approximation locale du modèle, est utilisé comme base de l'étude des valeurs propres. Une méthode d'homotopie est ensuite utilisée pour maintenir le lien entre les valeurs propres et les variables d'état d'un jacobien simplifié à sa seule diagonale aux valeurs propres du jacobien entier. Puisque les valeurs propres représentent une approximation valable de la dynamique des variables d'état d'un modèle, il est possible de trier ces variables d'état sur la base de leurs valeurs propres associées. Les variables d'état présentant une dynamique très rapide par rapport à l'échelle de temps d'intérêt seront alors considérées comme étant toujours à l'équilibre, ce qui permet de négliger leur dynamique transitoire et donc d'accélérer la résolution du modèle. Cette simplification est réalisée à l'intérieur d'un algorithme d'intégration de type Diagonal Implicite de Runge-Kutta capable de résoudre des systèmes d'équations différentielles et algébriques. Ce mémoire s'attaque également à un cas particulier de la simulation, soit le calcul du régime permanent. Ce calcul peut être réalisé par des algorithmes performants ne recherchant que les valeurs des variables d'état mettant à zéro les équations différentielles. Ces algorithmes sont cependant peu fiables puisque toute solution mathématique est jugée valide, peu importe la réalité physique. La solution proposée est l'injection de connaissance sous forme de bornes aux valeurs que peuvent prendre les variables d'état. Des équations algébriques implicites sont construites automatiquement sur ces bornes pour forcer la convergence dans l'intervalle voulu.

L'industrie de la production primaire de l'aluminium a besoin de nouveaux développements technologiques afin d'augmenter la rentabilité des usines. L'amélioration de l'efficacité énergétique des usines s'avère une voie prometteuse pour atteindre ce but. Ce mémoire aborde l'étude de la problématique des pertes ohmiques reliées à la connexion acier-fonte-carbone de l'anode. La modélisation de ce problème requiert le couplage des champs thermo-électro-mécanique (TEM) puisque l'augmentation de la température dans l'anode influence la dilatation thermique des matériaux qui influence la pression de contact et, a fortiori, la transmission du courant électrique entre celles-ci. À l'aide de la méthode des éléments finis, il a été possible de créer un modèle numérique générique d'une anode complète utilisée dans les cuves Hall-Héroult qui tient compte de la résistance électrique de contact, du déplacement et du contact mécanique, de la conductance thermique et de la génération de chaleur par effet Joule. Le modèle générique complété, une étude de cas a été réalisée pour étudier les effets de la réduction du diamètre des rondins d'acier du tripode insérés à l'intérieur des tourillons. Avec une méthode statistique, il a été possible d'établir que la variation du diamètre des rondins extérieurs était le paramètre principal expliquant la variation des pertes ohmiques dans l'anode. Les résultats ont démontré qu'une diminution du diamètre des rondins de 180 mm (modèle de base) lorsque neufs à 160 mm suite à leur corrosion augmentait du potentiel électrique dans l'anode de l'ordre de 10 mV en comparaison avec le modèle de base. Une fois validé, ce modèle pourra être utile pour la réalisation de plusieurs travaux, comme par exemple étudier les effets de la modification de la forme et du nombre d'ailettes dans le tourillon, de la composition chimique de la fonte ou de la configuration de l'anode et d'en comparer les effets sur le potentiel électrique par rapport à un modèle base.

Ce sujet de maîtrise a pour objectif principal d'estimer les apports en eau au lac Saint-Charles: patrimoine écologique et principale source d'eau de la Ville de Québec. Cette estimation des apports en eau, par le biais de la modélisation hydrologique (SWAT) permettra d'optimiser les débits relâchés au barrage Cyrille-Delage (situé à l'exutoire du lac et qui permet l'alimentation de la rivière Saint-Charles) pour les besoins de l'usine d'eau potable de Loretteville, tout en conciliant ces besoins avec ceux de l'écosystème environnant. Bien que la mise en place du modèle ait fait ressortir l'absence d'informations essentielles à la modélisation hydrologique du lac Saint-Charles, comme l'étude pédologique des sols et les données de débits d'entrées au lac, les résultats obtenus sont satisfaisants. Pour pallier le manque de données à la rivière des Hurons, principale tributaire du lac, la méthode de transposition des paramètres a été utilisée pour effectuer une modélisation à l'exutoire de cette dernière. Méthode qui a permise d'estimer les apports au lac. En guise de comparaison, une simulation a été effectuée avec les données de débits de la nouvelle station de jaugeage installée sur la rivière des Hurons en décembre 2007. De cette simulation, un coefficient de Nash et sutcliff (CRI ou le critère de Nash) de 0.42 a été obtenu. D'après l'étude de Sahel et al. (2000), le CRI (NSE ou le critère de Nash) de 0.63 obtenu en calage sur le bassin versant de la rivière Jaune et transposé sur le bassin versant de la rivière des Hurons est adéquat et satisfaisant d'après Santhi et al. (2001) et Bracmort et al. (2006). Par contre, en validation, le CRI de 0.3 n'est pas satisfaisant d'après Moriasi et al. (2007). Le CR2 utilisé, privilégie les petites valeurs, a une performance de 0.65 en calage et 0.45 en validation. Le CR3, qui évalue les volumes, est de 0.95 en calage et 0.98 en validation et le coefficient de détermination de R²= 0.67 en calage et 0.41 validation.

La baignade en piscine est l'une des activités aquatiques les plus pratiquées par la population. Comme dans les eaux naturelles, l'eau des piscines publiques peut contenir des contaminants de nature microbiologique et chimique. Ce mémoire vise l'étude de contaminants chimiques et particulièrement la présence des sous-produits de la désinfection (SPD) dans les piscines municipales. Les résultats démontrent que la formation de SPD tels que 'les trihalométhanes (THM), les acides haloacétiques (AHA) et les chloramines (CAMi) est considérable dans les piscines. En effet, les niveaux de SPD mesurés dans les piscines sont plus élevés que ceux retrouvés dans l'eau potable. De plus, le type de piscine (intérieure ou extérieure) a également une influence sur l'occurrence des SPD. D'autres facteurs liés à la gestion des piscines tels que la fréquentation des bassins, le taux de renouvellement de l'eau et les doses de chlore ajoutées semblent favoriser la formation et la variabilité des SPD dans les piscines. Conséquemment, la baignade dans les piscines publiques intérieures et extérieures peut constituer une voie importante d'exposition aux SPD pour la population.