La présence de cations de métaux de transition en grandes concentrations dans les eaux présente des risques pour la santé humaine et pour l'environnement. Une des méthodes les plus utilisées pour les éliminer est la coagulation-floculation. Il s'agit d'une étape essentielle dans la chaîne de traitement des eaux. Cependant, l'utilisation de cette méthode pour traiter une eau de faible turbidité est difficile. Le recours à l'ajout de montmorillonite est d'un grand intérêt dans ce cas, car cela permet d'intensifier le processus de coagulation-floculation. Afin d'améliorer ce processus, l'ajout d'un floculant, non polluant, non toxique et biodégradable, s'avère nécessaire, d'où l'utilisation du chitosane qui joue deux rôles essentiels: il favorise à la fois la floculation et la complexation des cations des métaux de transition. Le présent travail a pour objet d'étudier l'élimination de trois cations de métaux de transition, à savoir le cobalt, le nickel et le cuivre, par coagulation-floculation du système montmorillonite-chitosane. L'élimination des cations métalliques et de la turbidité de l'eau dépend de plusieurs facteurs, dont le pH et le rapport massique (chitosane/montmorillonite). De même, les concentrations de cations, de chitosane et de montmorillonite peuvent, elles aussi, avoir un effet sur l'élimination de ces cations. Étant donné la multitude des facteurs pouvant influencer l'élimination de ces cations par la montmorillonite et par le chitosane, ainsi que la coagulation-floculation du système montmorillonite-chitosane, l'utilisation d'un plan factoriel s'est avérée nécessaire pour surmonter cette difficulté et déterminer les conditions favorables à une élimination optimale des trois cations étudiés. Les résultats obtenus prouvent qu'il peut exister une synergie entre le chitosane et la montmorillonite dans l'élimination des cations métalliques. La montmorillonite, dont l'efficacité a augmenté après modification chimique, et le chitosane ont montré une affinité différente pour chacun des trois cations métalliques. Cette affinité augmente dans l'ordre suivant: CO²⁺ < Ni²⁺ < Cu²⁺ . Une meilleure coagulation-floculation ne donne pas forcément une meilleure élimination des cations métalliques. Ainsi, l'élimination des cations dans une solution contenant 1 à 3 (g/L) de montmorillonite augmente avec l'augmentation du pH entre 3 et 7, tandis que la turbidité minimale est obtenue à un pH = 5,4 et pour un rapport massique (chitosane/montmorillonite) =0,6%. Ces conditions jugées optimales dans le cadre du présent travail peuvent faire l'objet d'une étude ultérieure plus poussée, visant la mise en oeuvre d'une technologie de démétallisation des eaux. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Chitosane, Montmorillonite, Coagulation, Floculation, Cations métalliques, Synergie.

La dégradation photocatalytique de deux amines, la méthylamine (MA) et la diméthylamine (DMA), a été étudiée en présence de TiO2 Degussa P25. Différents paramètres ont été étudiés: l'adsorption à l'obscurité et sous UV, la photolyse, les cinétiques de dégradation, l'effet du pH, l'effet de la nature et de l'intensité du flux photonique ainsi que les voies de dégradation de la MA et DMA.A l'obscurité, le taux de recouvrement des groupes OH est similaire pour la MA et DMA. Sous UV, ce taux devient deux fois plus élevé pour la MA. Les réactivités de MA et DMA sont directement corrélées à leur adsorption sous UV. Les atomes d'azote sont principalement décomposés en ammonium. Le nitrite a été également détecté, mais rapidement oxydé en nitrate. À pH basique, l'hydrolyse photo‐assisté et l'attaque de OH* sur l'atome N augmente. DMA est essentiellement transformé en MA. Les analyses du Carbone Organique Total (COT) montrent la présence de produits finaux contenant de l'azote difficilement minéralisables. Nous avons montré que, quelle que soit l'énergie des photons (UV‐A ou UV‐B), le rendement quantique reste constant et égal à 0,033.L'inactivation photocatalytique de E. coli en présence de la lumière solaire naturelle en absence (SODIS) et en présence de différents catalyseurs a été étudiée. L'effet de la température sur l'inactivation de E. coli a été aussi étudié. Les résultats ont montré que l'addition des différents types de catalyseurs accélère l'effet bactéricide du rayonnement solaire. Aucun phénomène de reviviscence bactérien n'a été observé après l'arrêt de l'exposition solaire durant au moins 72 heures. Seulement les ions ammonium et potassium ont été détectés au cours de l'inactivation de E. coli en accord avec la perforation de la membrane et l'oxydation des protéines.

Les bassins de retenue des eaux pluviales constituent des éléments importants de gestion des rejets urbains de temps de pluie (RUTP). De nombreuses études montrent que, lorsqu'ils sont bien conçus, ils permettent de lutter contre les inondations et de décanter efficacement la pollution métallique et les hydrocarbures fortement fixés aux matières en suspension (MES). Le travail se propose d'étudier les performances de ce type de système afin d'en mesurer et d'en modéliser leur efficacité en termes d'abattement de micropolluants à une échelle évènementielle. Pour cela, il a été développé un suivi expérimental d'un bassin en service sec et étanche de grande taille localisé à l'exutoire d'un bassin versant drainé par un réseau d'assainissement séparatif pluvial faisant partie de l'Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU). Ainsi un total de 100 micropolluants (MP) a-t-il été suivi : 22 éléments traces métalliques (ETM), 16 hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), 2 alkylphénols (AP), 5 alkylphénols éthoxylates (APEO), Bisphénol A, 9 polybromodiphényléthers (PBDE) et 45 pesticides. Dans les eaux, ils ont été analysés en phase dissoute et particulaire en entrée et en sortie. 67 % des MP recherchés ont été détectés au moins une fois en entrée ou en sortie. Les concentrations moyennes évènementielles à l'exutoire du bassin versant alimentant l'ouvrage sont comparables aux données de la littérature quand elles existent et montrent une grande variabilité. L'efficacité massique évènementielle (EME) de piégeage des MP a été évaluée selon différentes méthodes, prenant en compte les incertitudes totales. L'efficacité est avérée pour la majorité des ETM et HAP, sur un nombre limité de campagnes pour les PBDE et les APEO, très limité pour le 4-Tert-Octylphénol et le 4-Nonyphénol (1 sur 5). Les performances de l'ouvrage ont été mises en avant pour 7 pesticides (sur 15 détectés) mais des efficacités négatives témoignent d'un relargage possible des polluants. L'étude des sédiments accumulés dans le bassin depuis 6 ans montre qu'ils sont assez chargés tant en métaux, HAPs qu'en 4-Nonylphénol, BDE209 et Diuron. Enfin, nous avons expérimenté 3 niveaux de modèles afin d'identifier des pistes pertinentes pour la suite des travaux dans ce domaine.

Les bassins de retenue des eaux pluviales constituent des éléments importants de gestion des rejets urbains de temps de pluie (RUTP). De nombreuses études montrent que, lorsqu’ils sont bien conçus, ils permettent de lutter contre les inondations et de décanter efficacement la pollution métallique et les hydrocarbures fortement fixés aux matières en suspension (MES). Le travail se propose d’étudier les performances de ce type de système afin d’en mesurer et d’en modéliser leur efficacité en termes d’abattement de micropolluants à une échelle évènementielle. Pour cela, il a été développé un suivi expérimental d’un bassin en service sec et étanche de grande taille localisé à l’exutoire d’un bassin versant drainé par un réseau d’assainissement séparatif pluvial faisant partie de l’Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU). Ainsi un total de 100 micropolluants (MP) a–t-il été suivi : 22 éléments traces métalliques (ETM), 16 hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), 2 alkylphénols (AP), 5 alkylphénols éthoxylates (APEO), Bisphénol A, 9 polybromodiphényléthers (PBDE) et 45 pesticides. Dans les eaux, ils ont été analysés en phase dissoute et particulaire en entrée et en sortie. 67 % des MP recherchés ont été détectés au moins une fois en entrée ou en sortie. Les concentrations moyennes évènementielles à l’exutoire du bassin versant alimentant l’ouvrage sont comparables aux données de la littérature quand elles existent et montrent une grande variabilité. L’efficacité massique évènementielle (EME) de piégeage des MP a été évaluée selon différentes méthodes, prenant en compte les incertitudes totales. L’efficacité est avérée pour la majorité des ETM et HAP, sur un nombre limité de campagnes pour les PBDE et les APEO, très limité pour le 4-Tert-Octylphénol et le 4-Nonyphénol (1 sur 5). Les performances de l’ouvrage ont été mises en avant pour 7 pesticides (sur 15 détectés) mais des efficacités négatives témoignent d’un relargage possible des polluants. L’étude des sédiments accumulés dans le bassin depuis 6 ans montre qu’ils sont assez chargés tant en métaux, HAPs qu’en 4-Nonylphénol, BDE209 et Diuron. Enfin, nous avons expérimenté 3 niveaux de modèles afin d’identifier des pistes pertinentes pour la suite des travaux dans ce domaine. / Detention basins are at stake in urban stormwater discharges (USWD) management strategies. If well designed, they are not only used to mitigate stormwater flood impacts but also to trap metals and hydrocarbon compounds strongly bounded to total suspended solids (TSS). An experimental monitoring, in the framework the Field Observatory on Urban Hydrology (OTHU), was developed on a large dry detention basin located at the outlet of a catchment drained by a separate stormwater system. This basin presents a rather classical and current configuration.A sum of 100 substances was studied: 22 metals (ETM), 16 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), 2 alkylphenols (AP), 5 ethoxylate alkylphenols (APEO), Bisphénol A, 9 polybromodiphenylethers (PBDE) and 45 pesticides. They were analyzed in both dissolved and particulate phases in water at the inlet and outlet of the device. 67% of MP studied was detected at least once at the inlet or outlet. Event mean concentrations were in the same range as literature data when available and showed an important variability.Event mass efficiency (EME) in trapping MP was assessed by different methods taking account for global uncertainties. Acceptable efficiency was found for most of ETM and PAH and in a lesser extent for PBDE and APEO on a limited number of campaign. The detention basin had only a positive impact on alkylphenols (4-Tert-Octylphenol and 4-Nonylphenol) for one campaign out 5. Negative values for 7 pesticides (among 15 detected) indicated possible pollutant release. Accumulated sediments study showed high MP concentrations in particular for metals, PAH, 4-Nonylphenol, BDE209 and Diuron. Lastly, different levels of models were tested to try to identify relevant ones for further work.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L'objectif de ce travail est de comparer les approches systémique, mécanique des fluides numérique (MFN) et compartimentale, une approche de modélisation en émergence basée sur l'exploitation quantitative de simulations de MFN pour construire le modèle. Une méthodologie de construction d'un tel modèle à compartiments est explicitée. Ces différentes approches de modélisation ont été appliquées au cas d'un réacteur pilote de traitement des eaux usées à boues activées : un réacteur triphasique (gaz/liquide/flocs), siège de réactions biologiques complexes. Le modèle hydrodynamique MFN a été validé par des mesures de champs de vitesse et de turbulence, réalisées par Vélocimétrie Laser Doppler ainsi que par des mesures de taux de vide réalisées à l'aide d'une sonde optique. L'hydrodynamique globale du réacteur est bien modélisée par un modèle piston à dispersion axiale et la MFN représente bien le comportement du réacteur. Des expériences sur réacteur pilote chargé en biomasse et alimenté par un substrat synthétique à base de Viandox ont été menées. La modélisation des réactions biologiques a été faite par le modèle ASM1 développé par l'IWA. Les modèles systémique et MFN permettent d'estimer l'évolution de la plupart des concentrations dans le réacteur avec moins de 25 % d'erreur. Des différences entre les deux modèles sont néanmoins observées. Il s'avère que le modèle à compartiment donne des résultats très similaires au modèle MFN pour un temps de calcul de 10 à 20 fois moindre. De plus ce modèle est presque aussi facile à manipuler qu'un modèle systémique et permet une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu dans le réacteur qu'avec un modèle MFN / The purpose of this work is the comparison of the systemic, computational fluid dynamics (CFD) and compartmental approaches. This last approach is a new method of model construction based on the quantitative results of a CFD simulation. A methodology to build such a model is described. These three modelisation approaches have been used to model a bench scale activated sludge wastewater treatment reactor : a complex biological tree-phase reactor (gas/liquid/floc). The CFD modelling has been validated with velocity and turbulence fields, obtained with laser doppler velocimétry and with void fraction measurements obtained with an optical probe. The global hydrodynamics of the reactor is well represented by a plug flow model with axial dispersion. This behaviour is well represented by CFD simulation of residence time distribution. Experiments on the bench scale activated sludge reactor fed with a synthetic substrate primarily composed of Viandox have been carried out. Biological reactions have been modelled by the ASM1 model developped by IWA. Evolution of almost all the concentrations along the reactor are simulated with a maximum error of 25 \% with systemic and CFD models. Some differences are highlighted between these two models. The compartmental model gives almost the same results as the CFD model with a calculation time from 10 to 20 times shorter. Moreover this compartment model is as easy to handle as the sytemic model and allows a better understanding of the phenomena which take place in the reactor than the CFD model

La dégradation photocatalytique de deux amines, la méthylamine (MA) et la diméthylamine (DMA), a été étudiée en présence de TiO2 Degussa P25. Différents paramètres ont été étudiés: l'adsorption à l’obscurité et sous UV, la photolyse, les cinétiques de dégradation, l'effet du pH, l'effet de la nature et de l'intensité du flux photonique ainsi que les voies de dégradation de la MA et DMA.A l’obscurité, le taux de recouvrement des groupes OH est similaire pour la MA et DMA. Sous UV, ce taux devient deux fois plus élevé pour la MA. Les réactivités de MA et DMA sont directement corrélées à leur adsorption sous UV. Les atomes d'azote sont principalement décomposés en ammonium. Le nitrite a été également détecté, mais rapidement oxydé en nitrate. À pH basique, l'hydrolyse photo‐assisté et l'attaque de OH• sur l’atome N augmente. DMA est essentiellement transformé en MA. Les analyses du Carbone Organique Total (COT) montrent la présence de produits finaux contenant de l’azote difficilement minéralisables. Nous avons montré que, quelle que soit l'énergie des photons (UV‐A ou UV‐B), le rendement quantique reste constant et égal à 0,033.L'inactivation photocatalytique de E. coli en présence de la lumière solaire naturelle en absence (SODIS) et en présence de différents catalyseurs a été étudiée. L'effet de la température sur l'inactivation de E. coli a été aussi étudié. Les résultats ont montré que l’addition des différents types de catalyseurs accélère l'effet bactéricide du rayonnement solaire. Aucun phénomène de reviviscence bactérien n’a été observé après l'arrêt de l'exposition solaire durant au moins 72 heures. Seulement les ions ammonium et potassium ont été détectés au cours de l'inactivation de E. coli en accord avec la perforation de la membrane et l’oxydation des protéines. / The photocatalytic degradation of two amino‐compounds, methylamine (MA) and dimethylamine (DMA) was investigated in the presence of UV‐irradiated TiO2 aqueous suspensions. Different parameters were studied: adsorption under dark and UV conditions, photolysis, kinetics of degradation, effect of pH, effect of the nature and intensities of photonic flux and finally the chemical pathway MA and DMA degradation.While, the percentage of covered OH in the dark was equal for MA and DMA, it becomes twice higher for MA under UV. The reactivity of MA and DMA is directly correlated with the adsorption under UV. The nitrogen atoms were decomposed mainly to ammonium. Nitrite was also formed but was rapidly oxidized to nitrate. At basic pH, photo assisted hydrolysis and the attack of OH• on N‐atom increase. DMA is mainly transformed to MA. Total Organic Carbon (TOC) analysis show the presence of final slightly mineralised intermediate compounds containing nitrogen atom. We shown that, whatever the energy of photons (UV‐A or UV‐B), the same quantum yield equal to 0.033 was obtained.The photocatalytic inactivation of E. coli under natural solar irradiation in the absence (SODIS) as well in the presence of different concentrations of varied photocatalysts has also been investigated. The effect of temperature on E. coli inactivation was studied. Results show that the additions of any types of catalyst to the water accelerate the bactericidal action of solar irradiation and leads to a total disinfection. No bacterial regrowth was observed during the subsequent dark period. Ammonium and potassium ions were formed during E. coli inactivation in agreement with the membrane perforation and the oxidation of proteins.

Ce travail s'intéresse au recyclage des rejets d'eaux usées par les malteries, principalement à l'étape de trempe. L'impact négatif de ces eaux sur la qualité des malts a été mis en évidence: leur réutilisation provoque un retard de prise d'eau par le grain et un retard de la germination. Puis, la caractérisation de ces eaux de trempe a permis d'identifier les inhibiteurs de la germination: il s'agit des intermédiaires d'oxydation et de polymérisation des composés phénoliques. Enfin, un procédé de traitement de ces eaux de trempe par bioréacteur à membrane a été mis au point. Testé aux échelles de laboratoire et pilote - avec ou sans couplage à une étape d'osmose inverse ou de charbon actif - ce procédé s'est révélé efficace pour l'épuration de l'eau et l'élimination des inhibiteurs. La réutilisation de ces eaux traitées dans l'étape de trempe n'a pas eu d'impact sur la qualité du procédé de maltage, et les malts ainsi préparés ont permis d'obtenir des bières de qualités équivalentes / This work is focused on the reuse of malting process wastewaters, especially steep-out waters. The negative impact of these waters on malt quality was demonstrated: their reuse results in a water uptake delay and a germination delay. Then, the characterisation of these steep-out waters allowed to identify germination inhibitors: they are intermediates of oxidation and polymerisation reactions of phenolic compounds. Finally, a membrane bioreactor treatment process of steep-out waters was developed. Studied at laboratory and pilot scales - with and without coupling to reverse osmosis or activated carbon step - this process was efficient for water treatment and for the removal of inhibitors. The reuse of these treated waters at the steeping step didn't have any negative impact on the process performances,and malts obtained allowed to prepare beers of comparable qualities

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

In the past decades, much concern has been expressed regarding organic micropollutants generating endocrine disruption. In particular, estrogenic endocrine disruptors, compounds that interfere with the estrogenic hormonal mechanisms, are in the center of environmental scien- tists attention. Numerous endocrine disrupting effects have been observed at concentrations corresponding to those found in aquatic environments, such as feminization of fauna, infertility, reproductive disturbance, cancer, or developmental disruption. Wastewater treatment plants ef- fluents have been identified as the main source of estrogenic endocrine disruptors in the aquatic environment, due to inappropriate treatment. Promising alternative treatment systems based on the use of ligninolytic enzymes (e.g. laccases) have recently emerged. This work falls within the framework of these new techniques. Althoughno environmentally safe threshold can clearly be set, focusing on the removal of global estrogenicity in water instead of concentrations of targeted estrogenic compounds seems a relevant research. To our knowledge, the use of these recently emerged enzymatic processes at an industrial scale (such as for the treatment of urban wastewater), oriented towards water overall estrogenicity, has not been implemented yet.The general objective of this work was to develop ans study a process of removal of estro- genicity by laccases from white-rot fungi, in laboratory, with the purpose of design and scale-up for industrial implementation. This work consisted of the conception, characterization, testing, study and modeling of this process.First, in order to enable the study and the scaling-up of a process of estrogenicity removal, op- timizing the technologies of quantification of estrogenicity in water was a real necessity. Therefore, a study of the methods of estrogenicity monitoring, within a treatment process framework, was conducted. Based on a wide literature review, existing methods were gathered and assessed with the aim of their use as monitoring and design tools. Fromthat review, four methods were selected and tested according to numerous criteria and their compatibility with our process: three bioassays (Yeast Estrogen Screen assay; Lyticase-assisted Yeast Estrogen Screen assay; MCF-7 cell based reporter gene assay) and one analytical method (High Performance Liquid Chromatography with UV detection, HPLC-UV). Concentration-response curves towards the reference 17β-estradiol, in several solvents, were acquired. A fitting model was developed for further expression of all measurements in Estradiol Equivalents. The methods were used to evaluate the estrogenicity of bisphenol A, triclosan and nonylphenol, along with estrogenicity of mixtures of bisphenol A and 17β-estradiol. The testing of these four methods enabled the assessment of their sensitivity, re- producibility, and implementation. Based on that experimental assessment, the Lyticase-assisted Yeast Estrogen Screen (LYES) assay was selected and systematized to be further applied, in combination with an adapted protocol of HPLC-UV analysis, to the monitoring of estrogenicity removal in two lab-scaled reactors. The LYES assay demonstrated a real methodological potential for thescale-up of an estrogenicity removal process and could be used as a design tool. For both reactors, results have indicated that HPLC-UV and LYES assay methods are completely inter- changeable in the case of bisphenol A monitoring (in the conditions used in this work). This work also highlighted the peculiar behavior of mixtures of bisphenol A and 17β-estradiol in terms of estrogenicity, and the parallel observation of an enhancement of bisphenol A estrogenicity removalin presence of 17β-estradiol.In the second part of this work, a batch reactor with laccases in solubilized form was developed and estrogenicity removal was assessed. Kinetics data for the degradation of estrogenic endocrinedisruptors were acquired with the LYES assay (estrogenicity) and the HPLC-UV method (concen- trations). Degradations were performed from several solutions of bisphenol A, 17β-estradiol, and mixtures. In the case of 17β-estradiol and mixtures, conversions reached minimum 90% within 1 hour of degradation at our conditions, with no dependency on pollutant initial concentrations. In the case of bisphenol A, conversions varied from 0 to 100% after 6 hours of degradation and were shown tobe strongly dependent on BPA initial concentrations, indicating the laccases deac- tivation by substrate. Bisphenol A byproducts of degradation were also analyzed, which indicated their absence of estrogenicity and their potential linear evolution with BPA degradation. Acquired kinetics data were exploited for the modeling of the batch degradations kinetics. At this stage of the work, no clear kinetics conclusions could be made in this part.From an industrial point of view, the use of immobilized enzymes is more cost-effective, due to the improvement of enzymes recovery and stability. Therefore, in the third part of this work, a continuous column-shaped packed-bed reactor composed of laccases immobilized on a silica support was developed. The packed-bed reactor was built and tested in laboratory. Residence time distributions, pressure drop calculations, and tracer degradations were performed on the re- actor for its characterization.Immobilization and activity measurements protocols were applied. Similar monitoring than in the batch reactor (LYES assay and HPLC-UV) were performed during continuous degradations of bisphenol A, 17β-estradiol, and mixtures in the packed-bed reactor. Acquired kinetics data were exploited to study and model the kinetics occurring in the packed-bed reactor. Mass transfer phenomena and laccases deactivation by substrate in the reactors were investigated and modeled, revealing, depending on the pollutant, the presence of slight external mass transfer limitation and the strong dependence of the kinetics on laccases deactivation. A design tool, in the form of a mathematical model for the design of a packed-bed reactor with immobilized laccases for the degradation of bisphenol A and related estrogenicity, was developed. The model was validated (simple validation) on experimental data. The model was then used, as a comparison, for the design of a reactor with similar conditions than a documented technique of bisphenol A degradation by ozone. The design resulted in a reactor twice smaller than for degradation by ozone, for the same conversion.In the current context of environmental crisis, this work proposed a first version of a promising practical solution for the treatment of environmentally problematic e-EDCs, oriented towards water overall estrogenicity monitoring and removal, and using natural biocatalysts. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished