Ce projet vise à améliorer l’efficacité des marais à éliminer les éléments minéraux présents dans les effluents provenant de cultures de tomates hors sol. Selon nos résultats, les ssh végétalisés de Typha latifolia et combinés avec un apport en carbone ont rendu plus efficace le traitement des effluents de cultures en serre. De plus, parmi les trois types de marais à l’étude (ssh, ssv et sh), les ssh semblent être les mieux adaptés pour traiter des effluents très chargés en éléments minéraux. Toutefois, les émissions de GES ne sont pas à négliger dans les ssh. Afin d’accroître la performance de traitement en terme de charge polluante ionique, des marais en série devraient être utilisés. Selon l’un de nos essais, le traitement des effluents par trois ssv en série a éliminé efficacement les différents minéraux en dessous de la limite permise au Québec.

Lors de l'irrigation des cultures de tomate produites en serre, une partie importante de l'eau enrichie en engrais est rejetée dans l'environnement afin de contrôler la conductivité électrique du milieu de culture et l'équilibre ionique de la solution du sol. Plusieurs contraintes limitent la réutilisation de cette eau, par exemple une surcharge de l'eau en ions sulfates (SO₄²⁻) et la présence d'agents pathogènes, comme Pythium ultimum ou Fusarium oxysporum. Les objectifs de cette recherche étaient de (1) réduire les SO₄²⁻ en présence d'ions nitrates (NO₃⁻), (2) éliminer les agents pathogènes P. ultimum et F. oxysporum présents dans l'effluent de serre, (3) évaluer l'effet suppresseur de ces eaux traitées envers la pourriture pythienne, (4) comparer la croissance de plants de tomate irrigués avec les eaux traitées par les marais, (5) comprendre l'effet de différents amendements de C dans les marais filtrants sur la diversité métabolique et phylogénétique des populations microbiennes, et finalement (6) évaluer la capacité de bioréacteurs passifs à réduire les SO₄²⁻en présence d'ions NO₃⁻ , et à éliminer les agents pathogènes P. ultimum et F. oxysporum. Nos résultats ont démontré l'importance de la quantité et de la qualité de la source exogène de carbone (C) pour réduire les ions NO₃⁻ et SO₄²⁻. Pour un enlèvement optimal de SO₄²⁻et de NO₃⁻ (99 %), l'apport de C exogène doit atteindre les seuils C :N = 3,4 et COD: SO₄²⁻= 0,36. D'autre part, les marais filtrants ont été performants (99,99 %) à réduire les agents pathogènes P. ultimum et F. oxysporum, notamment par l'adsorption de ceux-ci au biofilm formé et par la production d'enzymes extracellulaires par les microorganismes. Le traitement des effluents par les marais confère également à l'eau des propriétés suppressives envers la pourriture pythienne. La quantité et la qualité du contenu en carbone utilisé pour amender les AWs ont eu une forte incidence sur l'activité métabolique des microorganismes pour l'utilisation des sources de N, P et S. Finalement, l'utilisation de bioréacteurs passifs a montré, par une activité microbienne importante, une efficacité similaire aux marais filtrants pour réduire les ions sulfates en présence de nitrates. De plus, les bioréacteurs passifs ont été aussi performants que les marais pour éliminer les agents pathogènes étudiés. L'utilisation des marais filtrants et des bioréacteurs constitue une alternative durable pour le traitement des effluents de serre.

Dans les espaces ruraux et périurbains d’Haïti, les déchets et résidus organiques générés principalement par les activités agricoles et agroindustrielles, sont traditionnellement valorisés in situ dans l’alimentation animale comme provende, dans la fertilisation des sols comme amendement organique et/ou à des fins énergétiques comme combustibles. Parallèlement, au niveau des villes, les déchets organiques sont majoritairement éliminés sans aucune forme de ségrégation dans des décharges non contrôlées. Ce travail de recherche a voulu mettre l’accent sur l’opportunité de valoriser ces déchets par la méthanisation approchée comme une voie alternative de traitement biologique des déchets organiques fermentescibles. Le travail d’évaluation des gisements de déchets organiques a mis en évidence que la mauvaise gestion de ces gisements entraine une perte annuelle de matières estimée à près de 2 960 000 tonnes de matière sèche, potentiellement convertibles en 367 500 000 Nm3 de méthane ou 310 000 tep, correspondant à environ 16% de la couverture énergétique finale des ménages à l’échelle nationale. L’approche expérimentale à l’échelle de laboratoire a permis d’évaluer les potentiels biométhanogènes de certaines catégories de déchets d’origine agricole, dont la bagasse, le chou et les déjections de bovins, porcins et poulets, ainsi que les possibilités d’optimisation des cinétiques de digestion anaérobie par des moyens peu onéreux comme la réduction de la taille des particules, l’augmentation du ratio InoculumMV/SubstratMV et les effets de synergie liés à la co-digestion. Des recherches à l'échelle du pilote de terrain ont également été réalisées. Un digesteur a été construit sur le modèle des digesteurs indiens et suivi pendant plusieurs semaines. Malgré les conditions particulières de mise en œuvre du pilote, les essais réalisés ont démontré la faisabilité de la filière avec la technologie rustique sélectionnée. Le temps de retour sur investissement pour un fonctionnement optimal du digesteur pilote a été estimé à 5 ans. / In rural and peri-urban areas of Haiti, organic wastes and residues generated mainly by agricultural activities and agribusiness, are traditionally valued in situ in animal feeding as feed, in the fertilization of the soil as organic conditioner and/or for energy purposes as fuels. In parallel, the organic wastes of the cities are predominantly eliminated without any form of segregation in non-controlled landfills. This research work aimed to place the emphasis on the opportunity of valuing these wastes by biomethanation as an alternative way of biological treatment of organic biodegradable wastes. The exercise of assessment of organic wastes production has highlighted a loss of wastes-resources estimated at about 2 960 000 tons of dry matter per annum, potentially convertible to 367 500 000 Nm3 of methane or 310 000 toe, corresponding to approximately 16% of recovery of the final energy demand of the households of the whole country. The experimental approach at laboratory scale allowed to assess the ultimate biomethane potential different types of agricultural wastes like bagasse, cabbage and cattle, pigs and chickens manures as well as the possibilities of optimizing the kinetics of anaerobic digestion by some inexpensive means as the reduction of the particles size, the increase of ratio IVS/SVS, the nutrient balance and the synergy effects of co-digestion. The special conditions of implementation of the pilot approach have demonstrated the feasibility of the development of biomethanation technology, with a return period of about 5 years.

Cette thèse a pour objectif d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes qui gouvernent le bon fonctionnement et les performances des procédés de dépollution à biomasse fixée et d'en développer leur modélisation. Ces procédés pourraient voir leur efficacité intensifiée si les couplages entre les divers mécanismes locaux qui les gouvernent étaient mieux compris. L'interaction forte écoulement / biofilm dans ces procédés rend très difficile leur modélisation sans des progrès drastiques dans la compréhension de phénomènes intervenant à diverses échelles (biofilm, pore, bioréacteur). En conséquence, un des premiers verrous à lever est d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes locaux responsables de l'adhésion, du détachement et de la croissance de micro-organismes sous écoulement. Dans ce but une chambre d'écoulement a été mise au point pour permettre l'observation microscopique et la caractérisation in-situ de ces phénomènes sous conditions hydrodynamiques contrôlées. Le système étudié est une bactérie de Pseudomonas putida et le polluant modèle est du phénol. En conditions non limitantes, nous montrons que les paramètres de la loi de Monod, pour les instants initiaux de croissance du biofilm et les conditions hydrodynamiques en régime très diffusif, sont dépendants du cisaillement imposé, ce qui n'est pas pris en compte dans la plupart des modèles. Des expériences mettant en œuvre l'observation de la croissance du biofilm sous écoulement (à bas Reynolds) ont ensuite permis de montrer la nature hétérogène de la structure du biofilm (structures filamenteuses, distribution de protubérances sur le support solide). Ces structures pourraient entre autre expliquer comment la croissance du biofilm influence le frottement. Pour étudier l'influence de la microstructure sur cette quantité, une technique de reconstruction 3D du biofilm a été développée et mise en œuvre en complément de la microscopie optique directe. La simulation de l'écoulement dans la microstructure ainsi reconstituée et l'ordre de grandeur des perméabilités calculées montrent bien l'importance de la distribution locale de la biomasse sur ce paramètre. / The biofilms, mainly composed of micro-organisms and exopolymers, develop themself on nonsterile wet surfaces. They are of considerable importance in many industrial and environmental applications, among which biofilters used in water treatment. The strong interaction between the flow and the biofilm development in this type of processes returns very difficult their modelling without drastic progress in the comprehension of phenomena appearing on various scales (biofilm, pore, biofilter). This thesis aims to bring a better comprehension of the mechanisms which control the biofilm growth on a local scale. A flow chamber characterized by a laminar flow profile was developed to allow the in-situ observation and the analysis of cell adhesion, detachment and the growth of P. putida bacteria under sheared flow. The results also showed that the growth kinetics measured in batch was not applied, for low Reynolds number in the case of a biomass fixed to solid support and subjected to a shear stress. The study revealed also, as already shown before in certain research tasks, the biofilms organization in response to the sheared flow. The technique of 3d-reconstruction developed and implemented in complement to the direct optical microscopy allowed a better interpretation of global biofilm architecture and have explained how the microstructure can influence the biofilm friction toward fluid flow. We have simulated the distribution of the local velocity profiles in biofilm microstructure and our estimation of permeability has highlighed the importance of local distribution of biomass in this parameter.

La dépollution des sols contaminés par des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) est un enjeu important de société, à la fois environnemental, économique et technologique, du fait du grand nombre de sites contaminés par ces composés toxiques et persistants. Les entreprises d’ingénierie de l’environnement utilisant des procédés conventionnels de bioremédiation font souvent face à des rendements trop faibles d’élimination des HAPs dans les sols historiquement contaminés. Il y a donc un besoin réel de développer des solutions innovantes.Dans cette étude, 6 sols historiquement contaminés par des huiles de goudron ont notamment été caractérisés par la présence de 42 à 86% des HAPs dans la fraction sableuse, adsorbés sur diverses particules de charbon/coke/bois ou intégrés à l’intérieur de particules d’huile de goudron résinifiées et altérées. Ainsi, en fonction du niveau de séquestration des HAPs, la séparation sélective de la fraction la plus contaminée ou l’utilisation de procédés de lavage de sol (LS) utilisant des surfactants apparaissent comme des alternatives prometteuses aux procédés de bioremédiation. Une attention particulière a ensuite été portée sur le procédé de LS utilisant des surfactants, qui est basé sur l’optimisation du transfert des HAPs du sol vers la solution de lavage. Ce procédé génère des solutions de LS contenant de grandes quantités de surfactants et de polluants. Celles-ci doivent être traitées dans le but d’éviter la contamination de l’environnement et d’améliorer le rapport coût-efficacité du procédé.L’oxydation anodique (OA) a été identifiée comme un procédé adéquat et prometteur pour le traitement de solutions de lavage de sol contenant des HAPs et du Tween® 80 comme agent d’extraction. La compréhension détaillée des mécanismes impliqués dans l’élimination des composés organiques présents dans les solutions de LS a permis de mettre en place deux stratégies de traitement différentes :• Tout d’abord, il a été mis en évidence que l’utilisation de l’OA à des courants faibles et pendant des temps de traitement longs (23 h) permet la dégradation sélective des polluants ciblés (les HAPs) et la réutilisation de la solution de LS pour des étapes supplémentaires de LS. La grande quantité de Tween® 80 ainsi économisée améliore fortement le rapport coût-efficacité et l’empreinte écologique des procédés de LS, en particulier lorsque la séquestration des polluants dans le sol requiert plusieurs étapes de LS et l’utilisation de fortes concentrations en surfactant.• En revanche, des rendements élevés d’élimination des composés organiques et la production de sous-produits plus biodégradables a été observée lors de l’utilisation de l’OA à faible intensité et pendant des temps de traitement court (3 h). Ainsi, des effets synergétiques ont été observés lors de la combinaison de l’OA avec un post-traitement biologique. D’importants rendements d’élimination avec des coûts opératoires optimisés peuvent être atteints. De plus, l’OA peut aussi être utilisée comme post-traitement pour l’élimination des composés faiblement biodégradables. Cette stratégie de traitement a pour but d’éviter toute contamination environnementale par les solutions de LS.Ces deux stratégies de traitement doivent être prises en considération pour une gestion optimale et appropriée des solutions de LS. Au vu des résultats prometteurs obtenus, les défis scientifiques reliés au changement d’échelle de ce procédé ont été discutés / Remediation of soil contaminated by polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) is an important societal, environmental, economical and technological challenge, due to the high number of sites contaminated by these persistent and toxic compounds. Environmental engineering companies using conventional bioremediation processes often fails to reach sufficient PAH removal rates from historically contaminated soils. Therefore, there is a real need for the development of innovative solutions.In the present work, the characterization of 6 historically tar oil-contaminated soils showed that 42 to 86% of PAH are located in the sand fraction, either adsorbed on various coal/coke/wood particles or integrated in resinified and weathered tar oil particles. Thus, either selective separation of the most contaminated fraction or surfactant-enhanced soil washing (SW) appears to be promising alternatives to bioremediation, according to the level of sequestration of PAHs. Further investigations were performed on the surfactant-enhanced SW process, which is based on the transfer of PAHs from the soil-sorbed fraction to the washing solution. This process generates SW solutions containing a large amount of surfactant and pollutant. They have to be treated in order to avoid environmental contamination and ensure the cost-effectiveness of the whole process.Anodic oxidation (AO) was identified as a suitable and promising process for the treatment of SW solutions containing PAHs and Tween® 80 as extracting agent. The detailed understanding of mechanisms involved in the removal of organic compounds from SW solutions during AO allowed the implementation of two different treatment strategies:• First, it was emphasized that the use of AO at low current intensity during long treatment times (23 h) allows the selective degradation of target pollutants (PAHs) and the reuse of the SW solution for additional SW steps. Thus, the large amount of Tween® 80 saved strongly improves the cost-effectiveness and ecological footprint of SW processes, particularly when the high sequestration of pollutants requires several SW steps using high surfactant concentrations.• In contrast, high removal rates of organic compounds and production of more biodegradable by-products was observed during short treatment times (3 h) by AO at high current intensity. Thus, synergistic effects were observed for the combination of AO with a biological post-treatment. High removal rates with optimized operating costs can be achieved. Moreover, AO can also be used as a post-treatment (polishing step) for the removal of hardly-biodegradable compounds. This treatment strategy aims at avoiding environmental contamination by SW solutions.Both treatment strategies have to be considered for a suitable management of SW solutions. In view of promising results obtained, scientific challenges related to the scale-up of this process were discussed

L’efficacité de la biofiltration pour le traitement du lisier de porc motive la poursuite des recherches pour l’optimisation des conditions d’opération qui, selon les modalités usuelles, peuvent entraîner la production de gaz à effet de serre (GES) dont le protoxyde d’azote (N₂O) et le méthane (CH₄). Alors que la production de N₂O est amplement documentée, des expérimentations supplémentaires sont nécessaires pour caractériser la production de CH₄. À cet effet, certains aspects de la configuration du biofiltre à milieu organique (aération, milieux filtrants) ont été modifiés afin d’en vérifier l’impact sur la production de CH₄ et la performance épuratoire. Les conditions expérimentales ont impliqué un suivi de 391 jours de trois biofiltres pilotes (1,2 m x 0,13 m²) ayant des milieux filtrants différents. Ils ont été soumis, en alternance, à une aération continue et intermittente. Les charges appliquées en carbone (DCO) et en azote (N-NH₄⁺) sur chaque prototype ont été respectivement de 0,15 et 0,03 kg.m⁻².j⁻¹. Le débit d’air, appliqué à contre-courant, a été de 2,3 m³.m⁻².h⁻¹. L’effluent gazeux a été suivi deux (2) fois par semaine (N₂O, CH₄ et débits gazeux) tandis que les affluents et effluents liquides ont été analysés deux (2) fois par mois (pH, alcalinité, DCO, NTK et NO₃⁻). Les résultats des analyses liquides montrent une bonne efficacité d’épuration pour l’enlèvement de la DCO (92 %) et du NTK (99 %) pour les conditions d’opération testées. Quant à la production de CH₄, elle a varié entre les biofiltres, lesquels ont présenté des propriétés mécaniques différentes (compaction, pertes de charge). Les principaux facteurs susceptibles d’avoir affecté la production de CH₄ sont le pH, les fortes charges en carbone et en azote appliquées en tête de colonne, ainsi que la présence d’eau et de substances inhibitrices. Une interaction entre les composés impliqués dans les réactions de dénitrification (N₂O, NO₂, NO₃) et les bactéries méthanogènes semble également avoir influencé les dégagements de CH₄ observés. Par ailleurs, l’effet de l’aération sur l’émission de CH₄ n’a été observé que pour le biofiltre 1, les émissions étant supérieures sous aération continue par rapport à l’aération intermittente (800 versus 120 g C-CH₄/m³ de lisier traité). De plus, l’efficacité du processus de biofiltration, tant pour le traitement des lisiers que pour le traitement de l’air (des odeurs et des gaz), a conduit la recherche jusqu’à la mise en route d’essais laboratoires complémentaires portant sur l’utilisation de la biofiltration comme moyen de mitigation du CH4 impliqué dans la production porcine. Les capacités d’élimination en CH₄ pour deux types de milieux filtrants (organique et inorganique) ont été comparées dans ces expérimentations. Les résultats montrent que, dans la mesure où l’apport en nitrate (NO₃) est suffisant, des efficacités pouvant atteindre 90% et 80% d’élimination du CH₄ sont observées pour le biofiltre organique et inorganique respectivement. Par ailleurs, les caractéristiques du milieu filtrant inorganique ont rendu difficile le maintien des nitrates à l’intérieur du biofiltre, résultant à une grande variabilité des performances pour ce biofiltre.

A des concentrations supra-optimales, les métaux lourds essentiels (comme le Cu, Zn ou Ni) ou les métaux lourds non essentiels (comme le Cd, Pb ou Hg) peuvent être toxiques. La contamination des sols et de l’eau par des métaux lourds toxiques est un problème mondial qui peut nuire à l’environnement et à la santé humaine. En particulier, le cadmium est l’un des métaux lourds les plus toxiques pour les organismes. L’utilisation de plantes pour extraire ou dégrader les polluants (dans le cas de polluants organiques) constitue une stratégie intéressante, à bas coût et respectueuse de l’environnement pour remédier au problème des sites pollués. Pour une phytoextraction des métaux lourds, les plantes doivent avoir une croissance rapide, développer des biomasses importantes et accumuler des niveaux élevés de métaux lourds dans leurs parties récoltables. En d’autres termes, elles doivent être très tolérantes et accumulatrices. Une alternative consiste à utiliser des plantes tolérantes de façon à contenir la pollution (pour réduire la biodisponibilité et limiter la dispersion dans l’environnement). Des gènes d’une banque d’ADNc synthétisée à partir d’un hyperaccumulateur Cd/Zn Thlaspi caerulescens, dont l’expression augmente la tolérance au Cd dans les cellules, ont été identifiés. Dans cette thèse de Doctorat, notre but est d’une part de contribuer à la caractérisation fonctionnelle de ces gènes et d’autre part de créer de nouveaux outils en vue d’améliorer les techniques de phytoremédiation. Nous avons sélectionné deux séquences codant pour des protéines riches en cystéines, capables de lier certains métaux lourds et d’augmenter la tolérance au cadmium :une métallothionéine de type 3 (Tc-MT3) et une métallothionéine potentielle (MRP) provenant d’un organisme contaminant de la banque d’ADNc. Nous avons générer des lignées de tabac exprimant TcMT3 ou MRP, sous le contrôle d’un promoteur fort et constitutif, CaMV35S. Les plantes MT3 et MRP ont présenté un retard de croissance par rapport aux plantes contrôles, en croissance sur milieu non contaminé. Différents tests de croissance ont été réalisés en présence d’excès de Zn, Ni ou Cu et dans des milieux modifié avec du Cd. Nous avons remarqué qu’en présence de plusieurs métaux lourds en particulier le Cu et le Cd, les plantes Tc-MT3 et MRP étaient plus tolérantes que les plantes contrôles. La tolérance au Cd était la plus augmentée dans les plantes MRP. Les plantes Tc-MT3 ou MRP semblaient avoir un besoin en métaux lourds plus grand. L’accumulation des métaux lourds dans les parties aériennes n’était pas augmentée mais la minéralomasse des plantes Tc-MT3 et MRP l’était sur sol contaminé de la Région Bruxelloise. Une analyse biochimique a confirmé un changement dans le statu rédox de ces plantes. Une tendance à un statut plus oxydant a été observée dans les milieux non contaminés. Enfin, l’induction d’une métallochaperonne (CCH) du Cu indique une diminution de la biodisponibilité de cet élément, alors que la concentration totale n’est pas altérée. Il semble donc que pour la première fois, des métallothionéines puissent entrer en compétition avec une métallochaperonne végétale. Cette compétition pour les métaux pourrait être à l’origine de l’altération du statut rédox, du retard de croissance ainsi que de la meilleure tolérance aux métaux lourds. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished