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The disposal of arsenic in the form of scorodite presently attracts a lot of interest. However, even scorodite under certain pH and redox conditions may decompose potentially releasing arsenic to the environment. A novel way of arsenic fixation is to encapsulate/stabilize scorodite particles with mineral coatings/matrices that are not prone to decomposition. In this work, amorphous aluminum hydroxyl-gels were identified and investigated as a potential encapsulating material and a procedure was developed towards this end. The research work presented in this thesis included (1) synthesis of scorodite particles; (2) production and characterization of aluminum gels; (3) ageing of aluminum gel/scorodite blends; and (4) stability evaluation in terms of arsenic release in the pH range 6.5 to 8 at 22˚C. The gels were produced by partial (molar ratio OH/Al = 2.5) quick neutralization of 2M AlCl3 or Al(SO4)1.5 solutions at 22˚C. The gels were determined, following ageing and water washing, to consist of 60 – 70 wt.% Al(OH)3, 5 – 18 wt.% Cl or SO4 and ~20 wt.% water. ATR-IR and Raman spectra revealed the aluminum sulphate-derived gel to be different than the corresponding aluminum chloride-derived gel in its molecular make-up, most likely having the Keggin type structure. Ageing aluminum sulphate gel and scorodite for at least one day at 22˚C was shown via BSE images and x-ray maps of cross sections to lead to development of an aluminum hydroxide matrix around the scorodite particles. Arsenic release from the aged gel/scorodite blends was found to be drastically reduced with respect to gel-free scorodite. Thus a 0.1 Al/As sulphate gel/scorodite mixture reached an equilibri / Au sein des procédés d'industrie minière, la neutralisation de l'arsenic sous forme de scorodite est aujourd'hui un sujet d'attrait majeur. Cependant, même la scorodite s'avère parfois instable dans certaines conditions de pH et d'oxydoréduction, pouvant mener au rejet d'arsenic dans l'environnement. L'une des nouvelles méthodes développées en vue de neutraliser l'arsenic consiste à encapsuler/stabiliser les particules de scorodite à l'aide de revêtements/matrices caractérisés par une forte résistance à la décomposition en milieu d'enfouissement. Dans ce travail, des gels amorphes d'hydroxyle d'aluminium ont été identifiés et étudiés comme potentiels matériaux d'encapsulation. Une procédure correspondante d'encapsulation a également été développée en fin de projet. Le travail de recherche présenté ici inclut (1) la synthèse de particules de scorodite ; (2) la production et la caractérisation des gels d'aluminium ; (3) le vieillissement de particules de scorodite au sein de gels d'aluminium; (4) l'évaluation de la stabilité de ce système en terme de rejet d'arsenic pour des pH variant de 6.5 à 8 et à une température de 22ºC. La production des gels a été réalisée par neutralisation rapide et partielle (fraction molaire OH/Al = 2.5), à 22ºC, de solutions de chlorure d'aluminium (AlCl3) et de sulfate d'aluminium (Al(SO4)1.5) chacune d'une concentration de 2 mol/L. La composition des gels, en pourcentage massique, a été déterminée après vieillissement et rinçage à l'eau de ces derniers: 60-70% d'hydroxyde d'aluminium (Al(OH3)), 5% de chlore ou respectivement 18% de sulfates et environ 20% d'eau ont été mesurés. Des ana

Quantum dots (QDs) are luminescent semiconductor nanoparticles with relevant applications in different fields, including medical imaging, solar cells, and sensors. However, toxic effects in living organisms have been reported, and upon release, the potential ecotoxicological risks of QDs will be directly related to their transport and fate. The objective of this research was to evaluate the transport and deposition of different QDs in systems representative of natural subsurface environments and engineered granular filtration processes. Two experimental approaches were used: (i) laboratory scale columns packed with granular materials representative of the soil or filter matrix, and (ii) a quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) using sensors coated with materials representative of grain-water interfaces. The transport and deposition of the QDs were determined over a broad range of solution chemistries (i.e., ionic strength, pH, cation type, natural organic molecules (NOM)). In all cases, the deposition experiments were complemented with an appropriate physicochemical characterization of the particles and collectors. In experiments conducted with packed columns, the transport potential of a CdSe QD, a CdTe QD and model nanosized polystyrene particles was systematically investigated in two water-saturated granular matrices: (i) clean quartz sand and (ii) loamy sand obtained from Québec farm. This study provided a good starting point for the comparison of the transport behavior of engineered nanoparticles in quartz sand versus soil matrices (loamy sand), where greater retention was observed. The results obtained suggest that differences in retention are likely related to the binding affinity of surface-modified nanoparticles for specific soil constituents.In experiments conducted with a QCM-D, the deposition kinetics of polymer-coated QDs were compared with those measured for two different polystyrene latex nanoparticles onto model environmentally relevant collector surfaces (SiO2, Al2O3, or Al2O3 coated with NOM). The results showed that QD retention is relatively low compared to that of polystyrene latex particles, and in the presence of NOM, significantly lower deposition rates of QDs were observed. Overall, the data suggested that these phenomena could be attributed to the surface coating (polymers) used to stabilize the QDs, likely due to "electrosteric repulsion". In the final series of experiments, the deposition kinetics of functionalized silicon-nanocrystals (Si-NCs) was compared by means of: columns packed with quartz sand, and a QCM-D with SiO2 coated crystals (as a model sand surface). The Si-NCs used here were functionalized with carboxylic acids of varying alkyl-chain length, and in general, experiments conducted with both techniques revealed that the mobility of Si-NCs increases with longer alkyl-chains. QCM-D provided further insight on the nanoparticle deposition behavior, whereby the output parameters (i.e., frequency and dissipation) indicated how rigidly the ENPs are bound to the surface. Yet, the interpretation of nanoparticle deposition behavior by QCM-D may be limited by the size of the particle assessed; as it was determined that in the presence of large aggregates, the acquired frequency shifts were not proportional to the deposited mass. / Les points quantiques (PQs) sont des nanoparticules semi-conductrices luminescentes ayant des applications intéressantes et prometteuses dans différents domaines, comme l'imagerie médicale, les cellules solaires ou les senseurs. Cependant, des effets toxiques dans les organismes vivants ont été découverts, et après la libération des PQs dans l'environnement, les risques possibles éco-toxicologiques des PQs seront directement liés à leur transport et leur destin. L'objectif de cette recherche était d'évaluer le transport et le dépôt de PQs dans différents systèmes représentatifs des milieux naturels du sol et aussi des procédés de filtration granulaire. Deux approches expérimentales ont été utilisées: (i) des colonnes (collecteurs) remplies de matériaux granulaires (correspondant à la matrice du sol), et (ii) une microbalance à cristal de quartz avec dissipation d'énergie (QCM-D) en utilisant des capteurs recouverts de matériaux pouvant modéliser les différentes interfaces sol-eau. Le transport et le dépôt des PQs ont été déterminés sur une large gamme de chimies de solution (c.-à-d, force ionique, pH, type de cation et macromolécules organiques naturelles). Dans tous les cas, les mesures de dépôt ont été complétées par une caractérisation physico-chimique appropriée pour les particules et les collecteurs.Dans des expériences menées avec des colonnes, le potentiel de transport d'un PQ de CdSe, d'un PQ de CdTe et d'une nanoparticule modèle de latex polystyrène a été systématiquement étudié dans deux matrices granulaires saturées d'eau: (i) du sable de quartz propre et (ii) du sable glaiseux obtenu d'une ferme québécoise. Cette étude a servi de point de départ pour comparer le comportement de transport des nanoparticules dans le sable de quartz d'une part et avec les matrices du sol (sable glaiseux) d'autre part, où, d'ailleurs, une plus grande rétention a été observée. Les résultats obtenus suggèrent que les différences de rétention sont probablement liées à ce qui constitue l'affinité des nanoparticules modifiées en surface par les constituants spécifiques du sol.Dans des expériences menées par QCM-D, les dépôts cinétiques de PQs enrobés de polymères ont été comparés à ceux mesurés pour deux différents types de nanoparticules de latex sur des surfaces collectrices modèles représentatives de l'environnement (c.-à-d, SiO2, Al2O3, Al2O3 ou encore recouvertes de macromolécules organiques naturelles). Les résultats ont montré que la rétention des PQs est relativement faible par rapport à celle des particules de polystyrène, et peu d'interaction se produit entre les PQs et les macromolécules organiques naturelles. Dans l'ensemble, les données suggèrent que ces phénomènes pourraient être attribués à une "répulsion électro-stérique" de la couche de surface (polymères) utilisée pour stabiliser les PQs.Dans la dernière série d'expériences, la cinétique de dépôt des nanocristaux fonctionnalisés à base de silicium (NCs de Si), a été comparé à l'aide de : des colonnes remplies avec du sable de quartz, et un QCM-D avec de cristaux revêtus de SiO2 (comme surface du sable modèle). Les NCs de Si utilisés ici ont été fonctionnalisés par des acides carboxyliques avec différentes longueurs de chaîne alkyle, où la mobilité de NCs de Si augmente avec des chaînes d'alkyle plus longues. QCM-D a aussi permis de mieux comprendre le comportement de dépôt de NCs de Si, de sorte que les paramètres de sortie (c.-à-d, la fréquence et la dissipation) indiquent comment les particules sont rigidement liées à la surface. Néanmoins, en présence de grands agrégats, l'interprétation du comportement de dépôt de nanoparticules par QCM-D peuvent être limitée; comme il a été déterminé, les variations de fréquence acquise pourraient ne pas être proportionnels à la masse déposée.

As a multitude of engineered nanomaterials (ENMs) are being incorporated into a growing number of consumer products, the potential release of these reactive and potentially toxic constituents into natural aquatic environments and soils is inevitable. Nanosized metal oxides such as cerium dioxide (nCeO2), titanium dioxide (nTiO2) and zinc oxide (nZnO) are examples of ENMs currently appearing in consumer products. Upon the release of such ENMs into natural and engineered aquatic environments, particle aggregation and deposition behavior will determine the particle transport potential and thus the environmental fate and potential ecotoxicological impacts of the released materials. The objective of this research was to examine the transport behavior of select nanosized metal oxides (namely, nCeO2, nTiO2 and nZnO) in saturated granular porous media using laboratory-scale column experiments. The influence of water chemistry (pH, ionic strength (IS) and cation type (Na+, Ca2+, or Mg2+)) and particle coating (uncoated (bare) and poly(acrylic acid) (PAA)-coated ENMs) on particle deposition was examined in quartz sand or loamy sand-packed columns. Select particle transport studies in natural groundwater were also conducted, and PAA-coated metal oxide transport was compared to that of an analogous nanosized PAA polymeric capsule (nCAP). All ENM suspensions were characterized over a range of environmentally relevant water chemistries using dynamic light scattering (DLS) and nanoparticle tracking analysis (NTA) to establish aggregate size and laser Doppler velocimetry to determine particle surface potential. To investigate aggregate morphology, transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM) images were obtained under select conditions. Overall, bare ENMs exhibited high retention within water-saturated quartz sand-packed columns at NaNO3 solution IS as low as 0.1 mM for nTiO2 and 0.01 mM for nZnO. Furthermore, bare nTiO2 was found to exhibit extensive aggregation, regardless of pH and IS. At lower salt concentrations, the particle attachment efficiency (α) for the nTiO2 aggregates onto quartz sand increased with increasing IS. At higher IS, α (pH 7) > α (pH 3) > α (pH 9), likely due to enhanced particle aggregation at pH 7 and subsequent physical straining within the granular matrix. Bare nTiO2 and nZnO displayed dynamic (time-dependent) deposition behaviors under selected conditions. In contrast, PAA-coated nTiO2 and nZnO were less prone to aggregation and exhibited significant transport potential at IS as high as 100 mM NaNO3 or 3 mM CaCl2. Likewise, PAA-coated nCeO2 particles suspended in NaNO3 were highly mobile in quartz sand-packed columns. Nonetheless, heightened nCeO2 and nCAP particle retention and dynamic transport behavior was observed with increasing divalent salt concentrations and in natural groundwater. Moreover, enhanced particle retention was encountered in loamy sand in comparison to quartz sand. Finally, the nCAPs proved to be a good surrogate particle for the PAA-coated nCeO2. These findings illustrate the importance of considering the extent and type of particle surface modification when investigating metal oxide contamination potential in granular aquatic environments. Furthermore, the results obtained emphasize the need to consider the nature of the granular medium, along with the water chemistry, when evaluating ENM contamination risks. / Actuellement, des différents types de nanomatériaux manufacturés (NMM) sont intégrées dans un nombre croissant de produits de consommation. Par conséquent, la libération de ces matériaux réactifs et potentiellement toxiques dans le sol et les milieux aquatiques naturels est inévitable. Lors de la décharge dans l'environnement, l'agrégation et la déposition déterminent le potentiel de transport des particules, influencent les éventuels effets écotoxicologiques des matières rejetées. Les oxydes métalliques de taille nanométrique, tels que le dioxyde de cérium (nCeO2), dioxyde de titane (nTiO2) et l'oxyde de zinc (nZnO) ne font pas exception, nécessitant une meilleure compréhension de leur comportement dans les milieux aquatiques naturels et artificiels. L'objectif de cette recherche était d'examiner le comportement de transport de certains oxydes métalliques de taille nanométrique (en particulier le nCeO2, nTiO2 et nZnO) dans les milieux poreux granulaires saturés. Ceci a été réalisé dans le laboratoire en utilisant des expériences contrôlées en colonne. L'influence de la chimie de l'eau (pH, force ionique (FI) et le type de cations (Na+, Ca2+ ou Mg2+)), et le revêtement des NMM (non revêtus ou revêtus de poly(acide acrylique), PAA) sur la déposition des particules a été examiné dans des colonnes remplis de sable de quartz ou de sable loameux. Des études examinent le transport des particules suspendus dans les eaux souterraines naturelles ont également été menées. Finalement, le transport des oxydes de métal a été comparée à celle d'une capsule nanométrique (nCAP) analogue composer de PAA. Dans l'ensemble, les oxydes métalliques non revêtus démontrent une rétention élevé dans les colonnes remplies de sable de quartz et saturées avec des solutions de NaNO3. Avec ces particules, une forte rétention est observée à des FI aussi faibles que 0.1 mM pour le nTiO2 et 0.01 mM pour le nZnO. En outre, le nTiO2 démontre une agrégation extensive, peu importe le pH et la FI. À des concentrations de NaNO3 inférieures, l'efficacité de filtration (α) des agrégats de nTiO2 dans le sable de quartz augmente en augmentant la FI. À des plus hautes FI, α (pH 7) > α (pH 3) > α (pH 9). Ceci est probablement due à une augmentation d'agrégation à pH 7, causant les particules de devenir prises entres les grains de sable de la colonne. Finalement, le nTiO2 et nZnO non revêtus démontrent des comportements de déposition dynamiques (dépendant du temps) dans certaines conditions analysées. En revanche, le nTiO2 et nZnO revêtus de PAA étaient moins enclins à l'agrégation et démontrent un potentiel de transport important à des FI assez élevées (100 mM NaNO3 ou 3 mM CaCl2). De même, les particules de nCeO2 revêtus de PAA suspendus dans des solutions de NaNO3 étaient très mobiles dans le sable de quartz, peu importe la FI. Néanmoins, le nCeO2 et les particules nCAP démontrent une déposition rehaussée, parfois dynamique avec l'augmentation des concentrations de sels divalents et dans les eaux souterraines naturelles. Une déposition rehaussée est également rencontrée dans le sable loameux comparativement au sable de quartz. Enfin, les particules nCAP se sont avérées être un bon substitut expérimental pour les particules de nCeO2 revêtus de PAA. Ces résultats illustrent l'importance de considérer l'étendue et le type de revêtement des NMM en examinant le potentiel de contamination des oxydes métalliques dans les milieux granulaires et poreux saturés. En outre, les résultats obtenus soulignent la nécessité de tenir compte de la nature du milieu granulaire, ainsi que la chimie de l'eau, lors de l'évaluation des risques de contamination des NMM.

Many parts of the world, and especially developing countries, are experiencing severe water shortage problems. This is causing increased use of untreated or partially-treated wastewater for irrigation. Consequently, many pollutants such as surfactants, present in wastewaters, could influence fate and transport of agricultural chemicals in soils. Therefore, a field lysimeter study was undertaken to investigate the effect of non-ionic surfactant, Brij 35, on the fate and transport of two commonly used antibiotics, oxytetracycline (OTC) and monensin (MON), and an herbicide, metribuzin. Twenty seven PVC lysimeters, 1.0 m long x 0.45 m diameter, were packed with a sandy soil to a bulk density of 1.35 Mg m-3. Cattle manure, containing these compounds, was applied at the surface of the lysimeters at the recommended rate of 10 t/ha. Three types of wastewaters, i.e., good, poor, and very poor, were simulated by using three aqueous Brij 35 concentrations of 0, 0.5 and 5.0 g L 1, respectively, and applied to lysimeters, in triplicate, for each compound. Over a 90-day period, soil and leachate samples were collected and analyzed. Sorption experiments were also conducted for all compounds in the laboratory in the presence and absence of surfactant. Overall, the OTC and monensin mobility in the lysimeter study significantly increased in the presence of the surfactant (p<0.01). The maximum OTC concentration in the leachate was 102.72 µg L-1 for the surfactant concentration of 0.5 g L-1, which was higher than both control and the high surfactant concentration treatment. Unlike OTC, monensin leaching increased significantly with increasing surfactant concentration (p<0.01), and the maximum detected concentration in the leachate was 5.83 µg L-1 for the surfactant concentration of 5.0 g L-1. The laboratory study also showed that the sorption coefficient of OTC significantly reduced in the presence of the surfactant (p<0.05); it changed from 23.55 mL g-1 in the aqueous medium to 19.49, 12.49 and 14.53 mL g-1, respectively, in the presence of the surfactant at concentrations of 0.25, 2.5 and 5 g L-1. It may, however, be noted that the sorption coefficient was higher for the highest surfactant concentration used. However, in the case of monensin, the sorption coefficient reduced significantly (p<0.01) from 120.22 mL g-1 in the aqueous medium to 112.20, 100 and 63.09 mL g-1 with surfactant concentrations of 0.25, 2.5 and 5 g L-1, respectively. Herbicide movement may also be affected by surfactants; therefore, the mobility of a commonly-used herbicide, metribuzin, was investigated. In the presence of the surfactant, a significant increase in metribuzin movement (p<0.05) in the soil profile was observed. The highest metribuzin concentration in the leachate was 84.80 µg L-1 for the 5.0 g L-1 surfactant treatment. However, no significant differences on mobility were observed for the two treatments with differing surfactant concentrations. The laboratory sorption study showed that the sorption coefficient of metribuzin significantly decreased with increasing surfactant concentration (p<0.05). It can be concluded that nonionic surfactants may increase the mobility of agricultural pollutants, including antibiotics and herbicides, in soil. Therefore, irrigation with poor quality water can potentially cause ground water contamination. / Plusieurs régions du monde, particulièrement celles en voie de développement, souffrent d'une pénurie d'eau. Afin de composer avec l'augmentation de la demande en produits alimentaires et la pauvreté au sein d'une population croissante, des eaux usées partiellement- ou non-traitées servent souvent a l'irrigation. Il en survient que plusieurs polluants, incluant des agents de surface, peuvent être présents dans ces eaux d'irrigation et influencer le devenir et le transport de pesticides et antibiotiques dans les sols agricoles. Une étude lysimétrique au champ visa à évaluer l'effet de l'agent de surface non-ionique, Brij 35, sur le devenir et le transport de deux antibiotiques, l'oxytétracycline (OTC) et le monensin (MON), ainsi qu'un herbicide le metribuzin. Vingt-sept lysimètres en PVC, hauteur 1.0 m  diamètre intérieur 0.45 m, furent remplis d'un sol sablonneux à une densité apparente de 1.35 Mg m-3. Du fumier de vache, contenant les composés sous étude fut épandu à la surface des lysimètres au taux recommandé de 10 Mg ha-1. Pour chaque polluant, chacun des trois lysimètres répliquats fut arrosé d'une des trios solutions aqueuses de l'agent de surface Brij 35 (0, 0.5 ou 5 g L 1), représentant une qualité d'eau d'irrigation 'bonne,' 'mauvaise' ou 'très mauvaise'. Sur une durée de 90 jours, des échantillons de sol et de lixiviat furent obtenus et analysés. Des expériences en laboratoire additionnelles furent conduites en réacteur pour évaluer le potentiel de sorption des composés à l'étude. La présence de l'agent de surface non-ionique Brij 35 diminua de façon significative (p<0.05) le coefficient de sorption de l'OTC, soit de 23.55 ml g-1 en milieu aqueux, à 19.49, 12.49 et 14.53, respectivement, en la présence de 0.25, 2.5 et 5 g L-1 de Brij 35. La mobilité de l'OTC fut significativement moindre en présence de 0.5 g L-1 vs. 5.0 g L 1 de Brij 35. La concentration maximale en OTC du lixiviat fut de 102.72 µg L-1. Le coefficient de sorption du MON diminua de façon significative (p<0.05) de 120.22 mL g-1 en milieu aqueux, à 112.20, 100 et 63.09 mL g-1, respectivement, en présences de 0.25, 2.5 et 5 g L-1 de Brij 35. Si la demi-vie (t½) du MON fut de 5.72 jours en eau du robinet, elle augmenta à 9.62 et 11 jours, respectivement, en presence de 0.5 et 5.0 g L-1 Brij 35. La concentration maximale de MON détecté dans le lixiviat fut de 5.83 µg L-1. Dans le laboratoire, la sorption/désorption de l'OTC fut comparé à celle du sulfachloropyidazine (SCP) en présence et en absence d'un agent de surface non-ionique. En contraste à l'OTC, la présence d'un agent de surface augmenta de façon significative le potential de sorption du SCP au sol, tel qu'en témoigne le coefficient de sorption coefficient (KF) pour le SCP qui augmenta de 19.95 mL g-1 en absence de Brij 35, à 95.49 mL g-1 et 66.06 mL g-1 en présence de Brij 35 à des concentrations de 2.5 g L-1 et 5 g L-1, respectivement. Le coefficient de désorption de l'OTC en l'absence d'agent de surface fut de 61.58 mL g-1, tandis qu'en présence de 2.5 g L-1 Brij 35 elle diminua à 50.35 mL g-1. Comparativement, pour le SCP, les valeurs correspondantes furent de 1.24 and 1.38 mL g-1. Un phénomène d'hystérèse dans le cas du SCP en présence vs. absence de Brij 35 indiqua le bas potentiel de lixiviation du SCP en présence d'un agent de surface. Cependant, l'OTC se montra facilement désorbée en présence de Brij 35 en forme micellaire. Vu les inquiétudes quant a l'utilisation constante d'herbicides dans la production agricole actuelle, le potentiel d'une mobilité accrue de l'herbicide métribuzine en présence d'agents de surface s'avéra digne d'attention. La métribuzine présenta une mobilité accrue et une moindre affinité de sorption au sol et t½ en présence de micelles de Brij35 comparé à en leur absence. Les agents de surface ont augmenté la mobilité en sol des polluants étudiés. L'irrigation avec des eaux de mauvaise qualité peut donc poser un risque de contamination des eaux souterraines.

Accelerated eutrophication of freshwater ecosystems led by agricultural activities has raised concerns in Southern Quebec and other industrialized locales. Phosphorus being the main culprit, effort has been made to rationalize application and curtail exports of this nutrient with agricultural best management practices. Still, concentrations of phosphorus and nitrogen in typical tile drainage return flow wastewater exceeds the eutrophication-prevention criterion set by the Quebec Ministry of Environment (0.030 mg TP ∙L-1) and the ecosystem safeguard criterion suggested in the literature (1.10 mg TN ∙L-1), with cumulative loads becoming a major contributor to the poor quality of downstream aquatic ecosystems, especially when poorly diluted, as is the case with heavily drained agriculture-dominated watersheds.As a third line of defense in a best management practices package, constructed wetlands (CWs) for the interception of phosphorus are proposed. These wetlands can also mitigate nitrogen and contribute other ancillary benefits. They can be implemented at the mouth of tile drainage or at the confluence of a few outlets, i.e. drainage ditches or first order streams.The main phosphorus removal mechanisms in a CW are adsorption and precipitation with positively charged ions contained in the substrate (e.g., Ca2+, Fe3+, Al3+). Physico-chemical conditions prevailing in the system – especially redox potential – are major factors influencing these reactions. A sub-surface vertical up-flow system seems most appropriate, as it maximizes potential interaction of pollutant-charged water with the substrate constituents, allowing full radial contact and deterring preferential flow. These wetlands also are efficient longer into the cold season, given the underground nature of the flow. An experiment was conducted on McGill's CW research site, situated in Ste-Anne-de-Bellevue, Québec, so as to ascertain the efficiency of a vertical up-flow constructed wetland in treating tile drainage return flow wastewater. During 14 weeks, the capacity to remove the different forms of phosphorus was evaluated, as was the removal of nitrogen compounds. The effluent quality was also compared to the criteria. The wetland had a dimension of 9.15 m2 and the target flow rate was 1 L∙min-1, which is representative of a drainage system serving a 3 ha field in typical Southern Quebec conditions (wetland:watershed ratio: 0.03%; hydraulic loading rate: 0.16 m∙d-1; hydraulic retention time: 2.99 days). The target influent concentrations were 0.300 mg TP ∙L-1, and 10.00 mg TN ∙L-1, which – again – is typical of Southern Quebec tile drainage return flow. The wetland was efficient at removing 84% TP and 86% TN, but the treated wastewater was still above the criteria in 76% and 69% of the cases for TP and TN, respectively.Recommendation is made to supplement the wetland with a dedicated phosphorus-removal substrate so as to further enhance its performance, and to increase the wetland:watershed surface ratio to abate more nitrogen compounds. Community support is key to the implementation of agricultural best management practices. Hence, suggestion is made to include constructed wetlands in the set of initiatives that are financially aided through governmental programs, such as Prime-Vert of Québec. / L'eutrophisation accélérée des écosystèmes aquatiques dû aux activités agricoles donne lieu à des inquiétudes tant dans le Québec méridional que dans d'autres pays industrialisés. Le phosphore étant le principal coupable, des efforts importants ont été consentis à la réduction des exportations de ce nutriment, avec l'instauration de pratiques de gestion agricole optimales. Néanmoins, les concentrations de phosphore et d'azote dans les eaux usées de retour de drainage agricole typiques sont encore au-dessus des critères pour la prévention de l'eutrophisation (0.030 mg TP ∙L-1) et de maintien de la santé des écosystèmes aquatiques (1.10 mg TN ∙L-1), la charge cumulative étant un contributeur majeur à la piètre qualité des écosystèmes aquatiques situés en aval, en particulier lorsque peu diluée, comme c'est le cas par exemple dans les bassins versants à dominante agricole où le drainage est fortement présent. À titre de troisième ligne de défense dans la série de pratiques de gestion agricole optimales, les marais filtrants ciblant l'interception du phosphore sont proposés. Ces marais peuvent également atténuer l'azote et apporter des bénéfices collatéraux. Ils peuvent être installés à l'embouchure de drains agricoles, ou bien à la confluence de plusieurs sorties, comme par exemple dans un fossé agricole ou un cours d'eau d'ordre un. Les deux principaux mécanismes d'enlèvement du phosphore sont l'adsorption et la précipitation avec des ions à charge positive qui sont contenus dans le substrat (e.g., Ca2+, Fe3+, Al3+). Les conditions physico-chimiques qui règnent dans le système – en particulier le potentiel d'oxydo-réduction – sont des facteurs importants pouvant influencer ces réactions. Le système à flux vertical ascendant sous-surfacique est celui qui semble le plus approprié, puisqu'il maximise les interactions entre l'eau chargée de polluants avec les constituants du substrat, permettant un plein contact radial et prévenant les flux préférentiels. Ce type de marais est aussi efficace plus longtemps pendant la saison froide, étant donné la nature sous-surfacique du flux. Une expérience a été menée au site de recherche de l'Université McGill, situé à Sainte-Anne-de-Bellevue, au Québec, afin de vérifier l'efficacité d'un marais à flux vertical ascendant pour traiter les eaux usées de retour de drainage agricole. Pendant quatorze semaines, la capacité d'enlèvement du phosphore sous ses différentes formes a été évaluée, de même que l'enlèvement des composés azotés. La qualité de l'effluent traité a aussi été comparée aux critères de qualité. Le marais avait une surface de 9.15 m2 et le débit cible était de 1 L ∙min-1, ce qui est représentatif d'un système de drainage desservant un champ de 3 ha dans les conditions typiques du Québec méridional (ratio bassin versant:marais filtrant : 0.03%; charge hydraulique : 0.16 m∙d-1; temps de rétention hydraulique : 2.99 jours). Les concentrations cibles dans l'affluent étaient de 0.300 mg TP ∙L-1 et 10.00 mg TN ∙L-1, ce qui – encore là – correspond à un retour de drainage agricole dans les conditions du Québec méridional. L'efficacité du marais est telle qu'un enlèvement de 84% du phosphore total et 86% de l'azote total a été observé, mais l'effluent traité outrepassait encore les critères dans 76% et 69% des cas pour ce qui est du phosphore total et de l'azote total, respectivement. Il est recommandé d'ajouter au marais un substrat dédié à l'enlèvement du phosphore, afin de renforcer la performance, ainsi que d'augmenter le ratio surfacique marais filtrant:bassin versant, afin de diminuer davantage les composés azotés. Le support par la communauté est un élément clé dans l'instauration de pratiques de gestion agricole optimales. Ainsi donc, il est suggéré d'inclure les marais filtrants dans l'ensemble d'initiatives qui sont financièrement appuyées par les programmes gouvernementaux, tels le programme Prime-Vert au Québec.

Synthesis gas (syngas), which primarily consists of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2), is a versatile energy carrier that can be converted to gaseous and liquid fuels or can be used for electricity production. This study was focused on MFC design improvements for performance enhancement on CO/syngas and elucidation of microbial communities, and biotransformation pathways involved in electricity production from CO/syngas in an MFC. One of the primary challenges for an efficient bioconversion of CO and syngas is the low solubility of these gaseous substrates in the aqueous phase. The first study of this thesis demonstrated the applicability of silicone membrane systems for improved CO transfer into the anodic liquid of MFCs. The incorporation of flat silicone membrane and thin wall silicone tubing into the anodic chamber of CO-fed MFCs led to improved CO transformation efficiency and correspondingly improved MFC performance. A CO transformation efficiency of 77 % and maximum power output of 18 mW/L (normalized to anodic compartment volume) was achieved for silicone membrane installed MFC. A comparably higher CO transformation efficiency of 98 % was obtained for silicone tubing installed MFC, but the high dissolved CO concentrations in the anodic liquid partially inhibited the microbial activity, thereby lowering the maximum power output to 13 mW/L. Efficient gas transfer also allowed for focusing on the process microbiology. The microbial communities and biotransformation pathways prevalent in two mesophilic CO-fed MFCs were elucidated in the second study. The identification of the microorganisms belonging to the genera Geobacter, Desulfovibrio, and Clostridium, along with the detection of acetate as the primary metabolic product in both MFCs; affirmed our hypothesis that electricity production from CO/syngas in a mesophilic MFC is primarily accomplished by a two-step process, where CO/syngas is first converted to acetate by homo-acetogenic and carboxdotrophic microorganisms, and the acetate is then utilized by CO-tolerant acetate oxidizing electricigenic microorganisms. The bioconversion of CO/syngas to electricity in an MFC was also tested at thermophilic temperature of 50°C. Silicone tubing was used for syngas delivery and the anodic design was improved to increase the microbial density. An improved volumetric power output of 33-35 mW/L and syngas conversion efficiency of 87-98 % was achieved. Also an improved Coulombic efficiency (CE) of 26 % was obtained. The analysis of the anodic microbial communities and metabolic products, along with single substrate tests where MFC was operated solely on CO or H2, revealed that similar to mesophilic MFCs electricity generation from syngas at thermophilic temperatures also occurred through syngas conversion to acetate followed by its oxidation by CO-tolerant electricigenic microorganisms. In the final study of this thesis, the applicability of a multi-electrode design containing three anodes and two cathodes to achieve high volumetric power output and CE on syngas was evaluated at several operating temperatures ranging from 37°C to 50°C. Also, the impact of different anode-cathode arrangements on power output was examined. The multi-electrode configuration considerably enhanced the system performance and provided a compact system design which could have major economic and operational implications for large scale syngas-fed MFC systems. A maximum power density of 33 mW/L and CE of 43 % was achieved at an operating temperature of 37°C. The MFC power density was greatly impacted by the anode-cathode arrangement and the highest power density was achieved in a three anode-two cathode (3A-2C) arrangement. / Composé principalement de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène (H2), le gaz de synthèse est un vecteur énergétique polyvalent, qui peut être converti en un combustible liquide ou gazeux ou peut servir à la production d'électricité. La capacité du CO ou de gaz de synthèse à servir comme unique donneur d'électrons dans la production d'électricité dans une pile à combustible microbienne (PCM) ayant été récemment démontrée, la présente étude visa l'obtention d'un gain d'éfficacité de production, avec soit du CO ou du gaz de synthèse comme combustible, grâce à un aménagement amélioré de la PCM. L'étude visa aussi à élucider les communautés microbiennes et voies de biotransformation liées à la production d'électricité à partir de CO ou de gaz de synthèse dans une PCM.Un des principaux défis à une hausse d'efficacité de bioconversion de CO ou de gaz de synthèse est la faible solubilité en phase aqueuse de ces substrats gazeux. Le premier volet de ce travail démontra l'applicabilité de systèmes à membrane de silicone pour réaliser un transfert accru de CO vers l'anode liquide du PCM. L'intégration d'une membrane plane en silicone ou de tube en silicone à parois minces dans la chambre anodique d'une PCM alimentée en CO, a permis d'atteindre une éfficacité de transformation de CO accrue, et par conséquente une performance améliorée de la PCM. Une efficacité de transformation de CO de 77% et une puissance maximale de 18 mW/L furent obtenues pour une PCM équipée d'une membrane en silicone. Une efficacité de transformation de CO comparativement plus élevée (98%) fut obtenue pour une PCM équipée de tube en silicone à parois minces, mais la concentration éleve de CO dissoute dans le liquide anodique enraya en partie l'activité microbienne, baissant ainsi la puissance maximale à 13 mW/L . Un transfer gazeux efficace permetta de mettre l'accent sur le processus microbiologique. En un second volet, les communautés microbiennes et voies de biotransformation prévalentes dans deux PCM mésophiliques alimentées en CO furent élucidés. L'identification de microorganismes appartenants aux genres Geobacter, Desulfovibrio, et Clostridium, ainsi que la détection d'acétate comme principal produit métabolique dans les deux PCM, confirma notre hypothèse que la production d'électricité à partir de CO ou de gaz de synthèse dans une PCM mésophilique s'opère principalement en deux étapes: (i) le CO ou gaz de synthèse est premièrement converti en acétate par des carboxydobactéries et bactéries homoacétogéniques, puis (ii) l'acétate est oxydé par des microorganismes électrigènes tolérants au CO. Le gaz de synthèse étant principalement un gaz chaud, la bioconversion de CO ou de gaz de synthèse dans une PCM fut évalue sous des condition thermophiles à 50°C. Une puissance volumétrique accrue (33-35 mW/L) et une éfficacité de conversion de gaz de synthèse de 87-98% furent atteintes. De plus une efficacité coulombienne (EC) de 26% fut atteinte. Dans le dernier volet de cette étude, la faisabilité d'une configuration à multiples électrodes visant à permettre des PCMs consommant du gaz de synthèse à obtenir une puissance volumétrique et une EC accrue, fut évaluée à des températures de 37°C à 50°C. L'influence de la position dans laquelle les anodes et cathodes furent disposées sur la puissance générée fut évalue. Une densité de puissance maximale de 33 mW/L et une CE de 43 % furent atteintes à une température de fonctionnement de 37 °C. La densité de puissance d'une PCM fut largement influencée par la disposition et le nombre des anodes de cathodes. Un arrangement trois anodes-deux cathodes (3A-2C) offrant la plus grande puissance.