Advanced water treatment (AWT)/reuse has become a necessity for many utilities across the globe as the quantity and quality of water resources has been diminished. In some locations including California, the full-advanced treatment (FAT) train is mandated including membrane filtration, reverse osmosis, and UV advanced oxidation. The application of carbon-based treatment has emerged as a cost-effective alternative to FAT in locations that cannot manage brine disposal. However, considering the relative novelty of this treatment technology for water reuse, the process still requires full-scale validation of treatment goals including pathogen reduction. While there are many constituents of concern in water reuse, exposure to pathogens remains the greatest acute health risk. The studies described herein examine pathogen and microbial surrogate reduction both full-scale and pilot-scale floc/sed-ozone-biofiltration advanced water treatment facility. Both culture and molecular-based methods were used to demonstrate removal in this case and pilot challenge testing was employed to address the shortcomings of full-scale monitoring and to address additional research objectives. The reduction of Cryptosporidum, Giardia, enteric viruses, pathogenic bacteria and their corresponding surrogate microorganisms (e.g. spore forming bacteria, coliphage) was quantified across the upstream wastewater treatment process and the AWT. In general, the removal of surrogate microorganisms was less than or equal that of the pathogens of interest thereby justifying their use in full-scale monitoring. Several limitations of full-scale monitoring were noted including low starting concentrations which resulted in large sample volume required to demonstrate log-reduction. Additionally, while molecular methods were sufficient to demonstrate reduction by physical treatment steps, they are unable to demonstrate inactivation. Therefore, ozone pilot testing was performed to evaluate the use of capsid integrity PCR for showing inactivation by ozonation. Additional testing was also performed to relate the LRV shown with culture methods to the LRV shown with PCR so as to create a relationship that can be used in future monitoring. While pathogen inactivation is a major concern in water reuse, these objectives must also be balanced with the formation of disinfection byproducts (DBPs) through ozonation. Given the elevated concentration of dissolved organic matter, relatively higher ozone doses are required in reuse applications when compared with water treatment applications in order to achieve the desired treatment goals (oxidation, disinfection). Pilot scale ozone testing was performed to evaluate ozone disinfection performance in unfiltered secondary effluent while balancing the formation of bromate and oxidation of trace organic contaminants (TrOCs). Two chemical bromate control methods were compared including preformed monochloramine (NH2Cl), and hydrogen peroxide (H2O2). Neither of these bromate control methods had any demonstrable impact on virus or coliform inactivation, however H2O2 eliminated measurable ozone exposure which is necessary for the inactivation of more resistant spore forming bacteria. Additionally, NH2Cl was shown to suppress *OH exposure and thus negatively impacted the oxidation of ozone resistant TrOCs, while H2O2 marginally improved TrOC oxidation. Finally, the use of H2O2 for bromate control necessitates the validation of an alternative framework for ozone process control. The existing ozone Ct framework has been shown to be prohibitively conservative especially for virus inactivation. In this study, the applied specific ozone dose (O3:TOC) and the change in UV254 absorbance were evaluated as ozone monitoring frameworks across a range of water quality characteristics. Elevated temperature and pH were shown to significantly impact ozone decay kinetics, and only marginally impact virus inactivation. Both frameworks that were evaluated were shown to be valid across all water quality conditions evaluated. Validating pathogen reduction across carbon-based reuse treatment trains is imperative in order to allow for more widespread application and regulatory confidence in the technology. Coagulation, floc/sed, ozone, and biofiltration were shown to be robust barriers for pathogen and surrogate reduction and recommended concentration and quantification methods are presented herein. The ozone challenge testing results also provide guidance to utilities using ozone for disinfection while controlling DBPs and enhancing organics oxidation in water reuse applications. / Doctor of Philosophy / Water reuse has become a necessity for many utilities across the globe as the quantity and quality of water resources has been diminished. In some locations including California, the full-advanced treatment (FAT) train is required including membrane filtration, reverse osmosis, and UV advanced oxidation. The application of carbon-based treatment has emerged as a cost-effective alternative to FAT in locations that cannot manage brine disposal. However, considering the relative novelty of this treatment technology for water reuse, the process still requires full-scale validation of treatment goals including pathogen reduction. While there are many constituents of concern in water reuse, exposure to pathogens remains the greatest acute health risk. The studies described herein examine pathogen and microbial surrogate reduction both full-scale and pilot-scale floc/sed-ozone-biofiltration advanced water treatment facility. Both culture and molecular-based methods were used to demonstrate removal in this case and pilot challenge testing was employed to address the shortcomings of full-scale monitoring and to address additional research objectives. The reduction of protozoa, viruses, bacteria and their corresponding surrogate microorganisms was quantified across the upstream wastewater treatment process and the water reuse treatment train. In general, the removal of surrogate microorganisms was less than or equal that of the pathogens of interest thereby justifying their use in full-scale monitoring. Several limitations of full-scale monitoring were noted including low starting concentrations which resulted in large sample volume required to demonstrate log-reduction. Additionally, while molecular methods were sufficient to demonstrate reduction by physical treatment steps, they are unable to demonstrate inactivation. Therefore, ozone pilot testing was performed to evaluate several methods to adapt these methods to reflect inactivation. While pathogen inactivation is a major concern in water reuse, these objectives must also be balanced with the formation of disinfection byproducts through ozonation. Given the elevated concentration of dissolved organic matter, relatively higher ozone doses are required in reuse applications when compared with water treatment applications in order to achieve the desired treatment goals (oxidation, disinfection). Pilot scale ozone testing was performed to evaluate ozone disinfection performance in wastewater effluent while balancing the formation of byproducts and oxidation of trace organic contaminants. Two chemical byproduct control methods were compared including preformed monochloramine, and hydrogen peroxide. Neither of these bromate control methods had any demonstrable impact on virus or coliform inactivation, however H2O2 eliminated measurable ozone exposure which is necessary for the inactivation of more resistant spore forming bacteria. Additionally, monochloramine was shown to suppress hydroxyl radical exposure and thus negatively impacted the oxidation of ozone resistant organic contaminants, while hydrogen peroxide marginally improved oxidation. Finally, the use of hydrogen peroxide for bromate control necessitates the validation of an alternative framework for ozone process control. The existing framework that relies on ozone exposure has been shown to be conservative especially for virus inactivation. In this study, the applied specific ozone dose and the change in UV254 absorbance were evaluated as ozone monitoring frameworks across a range of water quality characteristics. Elevated temperature and pH were shown to impact ozone decay kinetics and virus inactivation to varying degrees. Both frameworks that were evaluated were shown to be valid across all water quality conditions evaluated. Validating pathogen reduction across carbon-based reuse treatment trains is imperative in order to allow for more widespread application and regulatory confidence in the technology. Coagulation, flocculation/sedimentation, ozone, and biofiltration were shown to be robust barriers for pathogen and surrogate reduction and recommended concentration and quantification methods are presented herein. The ozone challenge testing results also provide guidance to utilities using ozone for disinfection while controlling disinfection byproducts and enhancing organics oxidation in water reuse applications.

Nine recirculating systems at the Virginia Tech Aquaculture Center were placed on line and stocked with yellow perch, <I>Perca flavescens</I>, fingerlings. Fish were stocked at a density of approximately 455 fish m³. Biofilter types were the only factor differing among system designs and were an upflow pulsed bed bead filter, packed tower trickling filter and a rotating biological contactor (RBC). After stocking, systems were allowed to acclimate using ammonia excreted by the yellow perch. Following acclimation, a comparative analysis on biofilter performance began. To evaluate filter performance, water quality parameters tested were temperature (°C), pH, dissolved oxygen (DO), total ammonia-nitrogen (TAN), nitrite-nitrogen (NO₂⁻-N), nitrate-nitrogen (NO₃⁻-N), alkalinity (as CaCO₃), water hardness (as CaCO₃), carbonaceous biochemical oxygen demand (cBOD₃), dissolved organic carbon (DOC), and total suspended solids (TSS). Basic water quality analysis encompassed samples drawn at 8 AM. TAN mass removal analysis encompassed water quality samples drawn at 8 AM and over 24 hours. Higher TAN mass removal rates were achieved in trickling and RBC filters than in bead filters for 8 AM (0.037, 0.14, and 0.004 g/m²/d, respectively) and diurnal sample periods. Analysis of areas under mass removal curves depicted RBC filters as surface area limited. Trickling filters proved most effective at carbon dioxide stripping and pH maintenance and also effectively removed TSS from the culture water. The study did not show filter type as having a significant effect on median organic water quality parameter values. / Master of Science

A two-stage (carbon oxidation stage one, ammonia oxidation stage two) biological aerated filter was operated for 10 months on-site at a domestic wastewater treatment plant. Over the study, the system was operated at different hydraulic loading rates that resulted in a range of applied organic and ammonia mass loadings. Performance was monitored regularly for water quality parameters in the effluent and along the length of the reactors. It was found that nitrification performance was significantly influenced by organic loading rates greater than 1.2 kg cBOD5/m³-d. Additional experiments were conducted in which a constant mass of ammonia was applied (Phase 1: 1.40 ± 0.08 kg NH₃-N/m³-d; Phase 2: 1.31 ± 0.02 kg NH₃-N/m³-d) to the N column, the second stage of the system, over a range of hydraulic loading rates (5.1 -15.8 m/h). Phases of testing were defined by the background hydraulic loading rate applied to the system (Phase 1: 8.3 m/h; Phase 2: 7.1 m/h) at which the reactors were allowed to reach a steady effluent quality for at least one week prior to testing. Organic loading was minimized and kept relatively constant throughout the hydraulic loading rate experiments (0.65 ± 0.2 kg cBOD5/m³-d) in order to obtain an evaluation of nitrification capacity with minimal competition from heterotrophic bacteria. Results indicated that nitrification performance improved by 17% as the applied velocity increased over the indicated range. A steady-state biofilm model capable of predicting substrate flux was applied to the data in an attempt to explain the improvement in performance with hydraulic loading rate from a fundamental standpoint. Mass transfer coefficients, KL, were derived from the model for conditions in which the experimentally observed flux correlated with the model predictions. Derived KL values were lower than estimations offered by correlation equations but increased with velocity at a similar rate. The model failed to account for changes that may have occurred in biofilm kinetics and structure throughout the length of the reactor. / Master of Science

Ce travail s'est focalisé sur le devenir des polybromodiphényléthers (PBDE) et des alkylphénols (AP) dans les filières de traitement des eaux usées des stations d'épuration Seine-Centre et Seine-Amont, en agglomération parisienne. Des prélèvements effectués par temps sec et par temps de pluie ont permis de déterminer la qualité des eaux brutes vis-à-vis des paramètres globaux, des PBDE et des AP, ainsi que l'efficacité des ouvrages de traitement primaire et secondaire. Par temps sec, les concentrations dans les eaux brutes de Seine-Amont sont en moyenne 6 et 2 fois plus élevées pour ∑6AP et ∑4PBDE respectivement. Un bassin-versant plus industrialisé sur Seine-Amont et une forte dilution dans le réseau de Seine-Centre expliquent ces différences. Par temps de pluie, la pollution est diluée sur Seine-Amont. A l'inverse, la pollution particulaire augmente sur Seine-Centre, à cause de l'érosion des dépôts présents dans le réseau. En traitement primaire, la décantation physico-chimique lamellaire sur Seine-Centre favorise nettement l'abattement des pollutions particulaires et organiques. Ses performances sont stables et bien plus élevées que la décantation classique sur Seine-Amont. Par temps de pluie, les performances des deux ouvrages sont conservées, voire améliorées, malgré une hausse des charges polluantes et des vitesses ascensionnelles. Aucun de ces ouvrages n'est adapté au traitement de la pollution dissoute. En traitement secondaire, des abattements élevés pour la biofiltration et les boues activées ont été obtenus. Les traitements des deux stations étudiées conduisent à des effluents secondaires de qualité globalement similaire, même si les concentrations en pollution particulaire et en PBDE restent plus élevées sur Seine-Amont. Par temps de pluie, le 3ème étage de la biofiltration est dérivé et aéré sur Seine-Centre. Cette configuration impacte principalement les nitrates et le BDE-209. Sur Seine-Amont, les performances des boues activées sont légèrement affectées mais restent généralement supérieures à 80 %. Ceci conduit à des concentrations dans les effluents secondaires par temps de pluie 1,4 à 3 fois plus élevées en moyenne pour la pollution particulaire et les PBDE / This study investigates the fate of polybromodiphenylethers (PBDE) and alkylphenols (AP) within two sewage treatment plants, Seine-Centre and Seine-Amont, located in Paris conurbation. Samplings were performed under dry and wet-weather flows to determine the raw water quality and the performances of the primary and secondary treatment. During dry-weather periods, mean concentrations of ∑6AP and ∑4PBDE in Seine-Amont raw sewage were respectively 6 times and twice higher. This is due to a highly industrialized watershed for Seine-Amont, and a strong dilution in Seine-Centre sewer network. Under wet-weather flows, the particulate pollution increases markedly in Seine-Centre raw sewage, due to the erosion of in-sewer deposits. As a primary treatment, the physico-chemical lamella settler in Seine-Centre clearly improves the removal of particulate and organic pollutions. Its performances are constant and much higher than normal settling in Seine-Amont. Under wet-weather flows, the performances of both techniques are maintained or improved, despite higher pollutant loads and ascensional velocity. The dissolved pollution is not removed in the primary treatment, whatever the process. In the secondary treatment, high removal is obtained for both biofiltres and activated sludge processes. Seine-Centre and Seine-Amont secondary effluents reach a similar quality, although particulate pollution and PBDE concentrations remain slightly higher in Seine-Amont. Under wet-weather flows, one stage of Seine-Centre biofiltration unit is derived and aerated. In these specific conditions, nitrates and BDE-209 removal is impacted. For activated sludge in Seine-Amont, performances are slightly decreased but remains over 80 % for most parameters. Hence, in Seine-Amont secondary effluents, PBDE pollution is from 1.4 to 3 times higher under wet-weather flows

Le triclosan (TCS), le triclocarban (TCC) et les parabènes (esters de l'acide para-hydroxbenzoïque) sont employés en tant qu'antiseptiques et agents conservateurs dans les produits de soins corporels. Leur usage génère des inquiétudes sur leur devenir et leur effet potentiel sur la faune et la flore (Bazin et al., 2010). En effet, ils sont introduits dans le milieu récepteur principalement via les effluents des stations d'épuration et les rejets urbains de temps de pluie (McAvoy et al., 2002; Agüera et al., 2003). Les principaux objectifs de ces travaux étaient de mettre en place une base de données sur les niveaux d'imprégnation dans les eaux résiduaires urbaines de deux agglomérations, Paris et Beyrouth par temps sec, et d'évaluer l'efficacité des traitements présents dans différentes stations d'épuration : deux à Paris une à Beyrouth. Le suivi de la contamination des émissaires pour les agglomérations de Paris et Beyrouth a permis plusieurs avancées sur les connaissances relatives à la fois à l'analyse des parabènes, triclosan et triclocarban mais aussi à la contamination des eaux résiduaires urbaines dans les deux pays par ces molécules. Ainsi sur les aspects analytiques, une très grande stabilité des parabènes, triclosan et triclocarban, une fois fixés sur cartouche Oasis® HLB, après extraction sur des échantillons d'eaux usées préalablement acidifiés, a été mise en évidence. Un test de conservation, mené sur une période de 4 mois, a montré la possibilité de conduire des analyses des parabènes, triclosan et triclocarban dans des pays ne possédant pas la chaîne analytique complète (absence d'un appareil de type UPLC/MSMS, par exemple), ce qui ouvre des perspectives intéressantes pour des pays émergents. Pour les niveaux de contamination rencontrés, nos résultats montrent que les méthylparabène, éthylparabène et propylparabène présentent les concentrations les plus élevées alors que le benzylparabène n'a jamais été observé dans aucun échantillon. Les parabènes sont présents en phase dissoute à plus de 99 %. Les log(Kd) estimés pour ces composés sont compris entre 0,8 et 2 (en valeur médiane) pour la France et 1,3 et 2,3 pour le Liban. Les MES ne sont donc pas le principal vecteur de ces composés dans les émissaires. Le triclosan est lui majoritairement présent en phase particulaire, il offre des log(Kd) plus élevés que ceux des parabènes, voisins de 4 pour les deux pays. Le triclocarban est plus singulier. Dans les émissaires de l'agglomération parisienne, son log(Kd) est plus faible que celui du triclosan (3,4 contre 4) alors que c'est une situation inverse qui est obtenue Beyrouth : 4,6 pour le triclocarban et 4,1 pour le triclosan, conséquence directe de la plus forte contribution de la phase particulaire à la charge totale en triclocarban au Liban. Sur la base des concentrations mesurées, pour la première fois en France, des flux annuels par équivalent habitant ont pu être déterminés pour l'ensemble des composés ; ils sont de 1158 mg/EH/an pour MeP, 276 mg/EH/an pour EtP, 253 mg/EH/an pour PrP, 12 mg/EH/an pour IsoBuP, de 66 mg/EH/an pour BuP, 268 mg/EH/an pour TCS et 9 mg/EH/an pour TCC. Ces estimations n'ont pu être réalisées pour le Liban car les mesures de débits n'étaient pas possibles sur les sites suivis. Bien que les phénomènes mis en jeu diffèrent suivant les composés, il a été montré que les deux stations d'épuration de Seine Centre et Seine Amont éliminent à plus de 97 % les parabènes, le triclosan et le triclocarban / Triclosan (TCS), triclocarban (TCC) and parabens (esters of para-hydroxbenzoic acid) are used as antiseptics and preservatives in pharmaceuticals personal care products. Their use generates concerns on their fate and their potential effect on the fauna and flora (Bazin et al., 2010). Indeed, they are introduced in the receiving waters primarily via effluents from wastewater treatment plants and combine sewer overflows (McAvoy et al., 2002; Agüera et al., 2003). The main objectives of this work were to set up a database on levels of impregnation in the urban wastewater from two cities, Paris and Beirut by dry weather, and to assess the effectiveness of treatments in different wastewater treatment plants: two in Paris one in Beirut. Monitoring of the contamination of the main tributaries of Paris and Beirut has allowed more advanced knowledge of both the analysis of parabens, triclosan and triclocarban but also to urban waste water contamination in both countries by these molecules. Thus on analytical aspects, a very high stability of parabens, triclosan and triclocarban, once fixed on cartridge OASIS HLB, after extraction on previously acidified samples of wastewater, has been highlighted. A test of conservation, carried out over a period of 4 months, showed the possibility of conducting analyses of parabens, triclosan and triclocarban in countries without any analytical devices (UPLC/MSMS, for example), which opens up interesting prospects for emerging countries. With respect to levels of contamination, our results showed that methylparaben, propylparaben and ethylparaben have the highest concentrations while benzylparaben has never been observed in any sample. Parabens were present in the dissolved phase at more than 99 %. The log(Kd) estimated for these compounds were between 0.8 and 2 (median values) for France and 1.3 and 2.3 for Lebanon. TSS were not the main conveyor of these compounds in the tributaries. Triclosan was predominantly present in the particulate phase, it presented log(Kd) higher than parabens, of about 4 for the two countries. Triclocarban was more singular. For the emissaries in the Paris region, its log(Kd) was lower than that of triclosan (3.4 against 4) whereas a reverse situation was observed in Beirut: 4.6 for triclocarban and 4 1 for triclosan. This was a direct consequence of the higher contribution of the particulate phase to the total load of triclocarban in Lebanon.Based on measured concentrations for the first time in France, the yearly flows per inhabitant equivalent have been determined for all the compounds, they were of 1158 mg for MeP, 276 mg for EtP, 253 mg for PrP, 12 mg for IsoBuP, 66 mg for BuP, 268 mg for TCS and 9 mg for TCC. These estimates have not been made possible for Lebanon because flow measurements were not available on the monitored sites. Although the phenomena involved differ depending on the compounds, it has been shown that the two wastewater treatment plants of Seine Centre and Seine Aval removed at more than 97 % parabens, triclosan and triclocarban

Le traitement de l'azote au sein des stations d’épuration des eaux usées devient l'un des principaux enjeux actuels du fait de son impact particulièrement néfaste sur le milieu naturel. A l'aval de traitements secondaires à moyenne et forte charge, les gestionnaires peuvent avoir recours à la nitrification tertiaire par biofiltration, procédé intensif s’insérant bien pour les installations à réhabiliter dans les zones à forte pression foncière. Il s’avère être un procédé capable d’éliminer de très fortes charges dans un espace restreint par sa capacité à accumuler une quantité importante de biomasse active autour du matériau filtrant. La simulation du comportement d’un tel procédé n’est pas directe, et peu de travaux ont mené à un outil utilisable en ingénierie. Or, son usage serait indispensable pour valider le dimensionnement en conditions réelles de fonctionnement et en régime dynamique. L’objectif principal de ce travail a porté sur l’étude et la validation d’un modèle de biofiltration déjà existant mais encore jamais testé avec des données réelles de terrain en traitement tertiaire de nitrification. Dans ce but, le fonctionnement d’une installation pilote semi-industrielle alimentée par un effluent urbain réel provenant de bassins par boues activées a été étudiée. Afin de se placer en condition dynamique de fonctionnement, différents paliers de charges moyennes journalières en azote ont été appliqués, au sein desquels des à-coups de charges hydrauliques ont été provoqués. Les résultats acquis en continu pendant plus d’un an, associés à un protocole de calage systématique issu d’une étude de sensibilité, ont permis d’obtenir un jeu de paramètres calé et validé du modèle. Le protocole a nécessité la mise en œuvre de tests spécifiques caractérisant régulièrement le biofilm développé dans le procédé. Ces essais ont augmenté le nombre de variables d’état observées et à comparer avec les prédictions du modèle, ce qui a permis de mieux en évaluer sa robustesse. En parallèle, les tests spécifiques ont permis d’étudier la dynamique des processus impliqués dans l’élimination de l’azote au sein du procédé. Les paramètres influençant les performances globales du traitement de l’azote, l’activité et la quantification de la biomasse autotrophe, son temps de séjour ou encore sa répartition au sein du milieu filtrant ont ainsi pu être évalués. La double démarche expérimentale et numérique a permis de montrer que le modèle de biofiltration est capable de simuler des performances de traitement de l’azote conformes à la réalité. D’autre part, ce travail a permis d’étudier de manière approfondie les mécanismes inclus dans le modèle et leurs limitations face aux différentes conditions de fonctionnement appliquées au système. Des faiblesses du modèle concernant le comportement des composés particulaires et l’évolution de la perte de charge au sein du pilote ont notamment été dégagées. / Nitrogen removal in wastewater treatment plants becomes more and more used due to the harmful impact of nitrogen on the natural environment. After medium and highly loaded secondary treatment, practitioners could use biofiltration for tertiary nitrification, which is an intensive process adapted in areas with strong land pressures. This technology can remove very strong loading rate in a restrained space by its capacity to developp an important amount of active biomass into the filtering media. Simulation of such technique’s behaviour is not direct, and few studies led to a useful tool for engineers. However, its use is necessary in order to validate design in real operating conditions and dynamic conditions. The main objective of this work concerned the study and validation of a biofiltration model which already exists but has still never been tested with real data in tertiary nitrification treatment. In order to reach this objective, the behaviour of a semi-industrial pilot plant, fed by real domestic effluent from an activated sludge plant, was studied. In order to operate in dynamic conditions, different daily volumetric nitrogen loading rates were applied, in which dynamic peak-loads were carried out. The calibration and the validation of the model parameters were done thanks to on-line ammonia and nitrate analysers during one year and more, in association with a calibration procedure and a sensitivity analysis. The protocol required the implementation of specific tests for characterization of the biofilm inside the filtering media. These tests increased the number of the observed state variables to compare with the model predictions. That allows a better evaluation of the model robustness. At the same time, the dynamics of processes taking part in the nitrogen removal into the biofilm were investigated thanks to these specific tests. So, parameters which influence the nitrogen removal, overall performance, activity and quantification of autotrophic biomass, its solids retention time or its repartition inside the filtering media, could be determined. Combination of experimental observations and numerical modelling highlighted the capacity of the biofiltration model to provide good predictions on real nitrogen removal performances. Furthermore, this study allowed to evaluate mechanisms included in the model and their limitations with different operating conditions applied in the system. Finally, weaknesses of the model concerning solids compounds and the evolution of head loss in the pilot plant were established.

Cette étude porte sur l'évaluation de la performance d'un procédé biologique visant â réduire la concentration en sulfure d'hydrogène (H[indice inférieur2]S) présent dans le biogaz. De l'air est injecté dans la phase gazeuse d'un bioréacteur de digestion anaérobie (ratio volumique air/biogaz=1/20) de telle sorte à assurer à la surface du liquide, une zone en micro-aérobie.Cette recherche s'intéresse spécifiquement aux boues anaérobies psychrophiles (25[degrés celsius]), acclimatées à du lisier bovin ou porcin. Une première expérience vise à évaluer le potentiel de biotransformation des boues non alimentées en lisier et soumises à une charge connue en H[indice inférieur 2]S (entre 0,68 et 2,19 mg H[indice inférieur 2]S L[indice supérieur -1] boues h[indice supérieur -1]) injectée dans la phase liquide à la base du bioréacteur. Un taux maximal de biotransformation de 1,27 mg H[indice inférieur 2]S L[indice supérieur -1] boues h[indice supérieur -1] a été obtenu pour un taux de réduction du H[indice inférieur 2]S de 96,9%, une capacité 6,7 fois supérieure au taux maximal obtenu pour un bioréacteur alimenté avec du lisier bovin (0,19 mg H[indice inférieur 2]S L[indice supérieur -1] boues h[indice supérieur -1]). Une deuxième expérience consiste à évaluer l'impact d'un tel procédé sur le rendement en méthane et la stabilité d'un bioréacteur en opération. Deux bioréacteurs psychrophiles sont opérés en mode semi-batch et alimentés de manière identique avec du lisier bovin. Un seul des deux bioréacteurs est opéré en micro-aérobie. Ce bioréacteur a présenté des concentrations en H[indice inférieur 2]S indétectables (<50 ppm), sauf les journées où le ratio volumique air/biogaz était entre 0 et 0,056. Des concentrations variant entre 0 et 3500 ppm étaient mesurées dans l'effluent gazeux du bioréacteur sans injection d'air. Le bioréacteur en micro-aérobie a présenté un rendement spécifique en méthane 6,5% plus faible que le bioréacteur témoin, mais cet écart a diminué jusqu'à 0,87% pour les 4 derniers cycles de l'expérience durant lesquels le débit d'air a été réduit et maintenu à 4 ml/min.

Le domaine de l'agriculture produit une part importante des gaz à effet de serre (GES) au Canada (8%) soit 8% des 747 Mt eq. CO[indice inférieur 2] émis chaque année. L'industrie porcine, un secteur clé de l'industrie agroalimentaire est en forte croissance au Canada depuis le milieu des années 80. L'entreposage du lisier préalablement séparé compte pour la plus grande partie du méthane (CH[indice inférieur 4]) émis, un GES au pouvoir de réchauffement global 25 fois celui du dioxyde de carbone (CO[indice inférieur 2]). Pour traiter le CH[indice inférieur 4], la biofiltration a déjà fait ses preuves pour le traitement des émissions de CH[indice inférieur 4] provenant des lieux d'enfouissement sanitaires (LES) et des mines. Ce procédé peut être également appliqué au CH[indice inférieur 4] issu de l'industrie porcine. Lors de la biofiltration du CH[indice inférieur 4], plusieurs facteurs clé peuvent améliorer la performance du système de traitement biologique comme, par exemple, la température, le pH, la nature du milieu filtrant, le taux d'humidité du lit et les nutriments. En particulier, l'apport en nutriments est un facteur déterminant pour la croissance et le maintien des microorganismes traitant le CH[indice inférieur 4]. Plusieurs nutriments doivent être fournis pour assurer le bon fonctionnement d'un biofiltre : carbone, oxygène, azote, phosphore, potassium et autres. D'un autre côté, certaines substances peuvent inhiber l'oxydation du CH[indice inférieur 4] dans un biofiltre et influencer la flore microbienne : un inhibiteur ayant fait l'objet de nombreuses études sur des supports de terre est l'ammonium (NH[indice inférieur 4][indice supérieur +]). Les expériences en laboratoire devaient déterminer l'impact du NH[indice inférieur 4][indice supérieur +] dans la solution nutritive contenant du nitrate sur un biofiltre rempli d'un garnissage inorganique traitant le CH[indice inférieur 4]. Dans les conditions expérimentales considérées (Débit d'air : 0,18 m[indice supérieur 3] h[indice supérieur -1] ; Concentration de CH[indice inférieur 4] à l'entrée : 3000 ppmv ; Débit de solution nutritive : 1,5 L j[indice supérieur -1]), l'ajout de NH[indice inférieur 4][indice supérieur +] dans la solution nutritive a eu un impact sur la performance du biofiltre, faisant diminuer la conversion du CH[indice inférieur 4] de 70 à 13% entre 0,05 et 0,5 gN-NH[indice inférieur 4][indice supérieur +] L[indice supérieur -1]. Les résultats de cette étude ont aussi démontré que l'augmentation progressive du NH[indice inférieur 4][indice supérieur +] réduit l'effet inhibiteur de celui-ci sur la performance du biofiltre.

La recherche sur le traitement des eaux usées industrielles prend de plus en plus d’importance à cause de la complexité des effluents que les industries rejettent. Parmi ces effluents, 5% (v/v) ont une salinité variant entre 3 et 350 g/L en chlorure de sodium (NaCl), la salinité étant la quantité de sels minéraux dissous dans l'eau. Les réglementations environnementales sont de plus en plus strictes de sorte que les procédés de traitement utilisés pourraient devenir inappropriés. Les effluents salins en particulier sont souvent incapables de satisfaire les réglementations de rejet des eaux usées, à cause de leur difficulté de traitement dûe au mélange complexe de matière organique et de sel. Le bon fonctionnement des procédés biologiques conventionnels est souvent négativement affecté par la présence de ce dernier. C’est donc vers les procédés physico-chimiques que les industries se sont tournées pour traiter les effluents salins. Mais ceux-ci étant très coûteux en termes d’opération et de maintenance, la recherche s’est concentrée sur la faisabilité du traitement d’effluents salins par procédés biologiques, plus économiques. Les nouvelles recherches sur des bactéries résistantes au sel (halophiles et halotolérantes) appliquées aux traitements biologiques, bien que peu nombreuses encore, sur la sélection bactérienne et la bioaugmentation ouvrent de nouvelles possibilités quant au traitement biologique de la matière organique présente dans les effluents salins. Cette étude a donc pour objectif principal de valider la biofiltration aérobie pour le traitement du méthanol à l’état liquide en milieu salin. Pour cela, on a réalisé le suivi de divers paramètres opératoires (concentration du méthanol à l’entrée du réacteur, charge organique, teneurs en sel). Le développement de cette technologie serait une innovation dans le traitement des effluents industriels, puisque l’application de la biofiltration au traitement de ce type d’effluent n’a jamais été étudiée. La biofiltration présente des avantages économiques comparativement aux technologies utilisées jusqu’à présent. Cette étude a permis d’obtenir une efficacité d’élimination du méthanol satisfaisante (de l’ordre de 54%) pour un effluent contenant des concentrations élevées en sel (30 g/L) sous forme de NaCl, et en méthanol 5 (g/L) pour un débit d’alimentation liquide de 5 L/j.

The objectives of this work are related to the kinetic study and characterization of air treatment biofilters with and without percolation which were packed with inert packing materials in order to treat methanol, ethanol and toluene vapours.The thesis is divided into three sections.The first section contains a bibliographic introduction to biofiltration and an experimental study.The review of experimental work shows that methanol, ethanol and toluene can be treated in biofilters with or without percolation. In the experimental study of this section, ethanol is treated in a biotrickling filter at low nitrogen concentrations in the nutrient solution and high removal efficiencies are obtained. In this study, experimental protocols for maintaining the biofilter and controlling the biomass content in the packing bed were developed.The second section is composed of two experimental studies for characterizing biofilters with and without percolation in order to treat methanol. A methodology for calculating the biomass accumulated in the packing bed of a biofilter is among the new experimental protocols developed in this study. In the case of biotrickling filter, methodologies for determining the partition coefficient of methanol and the biomass production rate were developed.The role of the biofilm and the nutrient solution on bioflter performance was also analyzed.The studies of this section lead to a better comprehension of methanol biodegradation in biofilters.The third section contains two kinetic studies for biofilters with and without percolation. In the first study, a new experimental methodology is proposed to calculate microkinetic parameters related to microbial growth in a biofilter. In the second study, the microkinetic and macrokinetic behaviors of methanol and toluene biodegradation are compared.The influence of operating conditions on microbial growth and elimination capacity is also analyzed. This study includes the identification of energy indicators of biofilters with and without percolation, which could be used in energy balances and for estimating the temperature of packing bed.