Devenir des sous-produits de dénitrification autotrophe lors de l’épuration décentralisée des eaux usées domestiques.

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\nrésumé peut être lue en PDF.<br /><br /> La gestion des eaux usées est généralement prise en charge par des infrastructures municipales desservies par des systèmes de collecte et de traitement. Toutefois, dès lors que la densité urbaine est faible, les habitations doivent être reliées à des systèmes décentralisés de traitement. C’est dans ce cadre que plusieurs compagnies développent et commercialisent des technologies qui répondent aux exigences environnementales prescrites par les autorités gouvernementales. Afin de répondre aux réglementations de plus en plus sévères en matière de rejet des contaminants dans les eaux usées, un procédé de dénitrification autotrophe a été récemment développé. Ce dernier vise à éliminer l’azote présent sous forme de nitrates dans les effluents de la filière de traitement, moyennant un système fonctionnant avec du soufre et du calcaire. 
\nSelon une étude réalisée sur une période d’un an à la station expérimentale de la compagnie, le procédé de dénitrification autotrophe sur soufre et calcaire favorise l’enlèvement des nitrates, permettant d’atteindre des concentrations inférieures à 5 mg NO3-N/L. Le principal inconvénient lié à la mise en place de ce procédé serait la production potentielle de sulfures lors de l’infiltration de l’effluent traité dans un champ de polissage. Agissant comme substrat inorganique oxydable et comme support bactérien dans le procédé de dénitrification autotrophe, le soufre s’oxyde en sulfates. Sous des conditions anaérobies, les sulfates peuvent être potentiellement réduits en sulfures. Pendant que les bactéries sulfato-réductrices (BSR) utilisent les sulfates comme accepteurs d’électrons, le dihydrogène ou la matière organique sont utilisés comme donneurs d’électrons. Les sulfures, ainsi générés, sont connus pour être toxiques pour l’environnement et les êtres humains, corrosifs et générateurs de mauvaises odeurs. Dans le cas de l’infiltration des eaux usées dénitrifiées dans un champ de polissage, les effets concernant les mauvaises odeurs ainsi que la toxicité éventuelle pour l’environnement et les êtres humains sont les effets probables de survenir, dépendamment de la concentration en sulfures dégagés.
\nL’objectif général de ce projet de recherche porte sur l’étude des sous-produits générés lors du processus de dénitrification autotrophe implanté en aval d’un traitement secondaire des eaux usées en application résidentielle. Dans un premier temps, il est essentiel de vérifier s’il y a génération de sulfures lors de l’infiltration des eaux usées issues du procédé de dénitrification dans des champs de polissage. Sinon, il est primordial d’établir les conditions critiques à partir desquelles la formation de sulfures peut apparaître afin de s’assurer de l’innocuité du procédé de dénitrification développé pour le traitement des eaux usées provenant des résidences isolées. Par conséquent, les travaux réalisés au cours de ce projet de doctorat ont eu pour objectif de déterminer le risque de génération de sulfures à l’échelle laboratoire et à moyenne échelle. Son évaluation a été basée sur le suivi de plusieurs paramètres dont le pH, la température, le potentiel d’oxydo-réduction (POR), l’oxygène dissous (OD), le carbone organique dissous (COD), les sulfates (SO42-), les sulfures aqueux (H2S aq) et gazeux (H2S g). 
\nLa première étape de ce projet de recherche a été de simuler, à échelle laboratoire, les conditions d’infiltration des eaux usées dans trois sols de perméabilités différentes (très perméable, perméable et peu perméable) et selon deux modes d’infiltration (saturé ou insaturé). Pour cela, la conductivité hydraulique de différents mélanges (sable/silt) a été déterminée, conduisant à la formation d’un sol très perméable (Ks = 0,028 cm/s), perméable (Ks = 0,0013 cm/s) et peu perméable (Ks = 0,00015 cm/s). Par la suite, ces sols ont été caractérisés et introduits dans des colonnes à petite échelle afin d’évaluer leurs capacités à être utilisés en tant que champ d’infiltration. Ces colonnes ont été inoculées par une microflore microbienne apte à réduire les sulfates présents dans les effluents issus d’un procédé de traitement décentralisé des eaux usées. Sur une durée de cent jours, il a été mis en évidence qu’une faible teneur en sulfures a été mesurée dans l'eau (< 0,25 mg/L) et dans l’air (< 0,15 ppm). Quelle que soit la perméabilité du sol, les eaux usées domestiques traitées par un système de dénitrification autotrophe ne semblent pas être problématiques en raison de la faible teneur en matière organique (carbone organique dissous). En effet, les eaux usées domestiques traitées par dénitrification autotrophe contiennent en moyenne près de 5 mg/L de demande biologique en oxygène (DBO5), 7 mg/L de carbone organique dissous (COD) et 100 mg/L de demande chimique en oxygène (DCO).
\nDans un deuxième temps, afin d'assurer une longue vie au système de traitement et de maintenir le processus de dénitrification opérationnel pour toute la période requise, les performances hydrauliques de ce dernier et la production de sulfures ont été évaluées. Pour cela, des essais ont été réalisés, à moyenne échelle, dans des réacteurs d’une capacité de 200 L moyennant deux sols de perméabilités différentes (très perméable et perméable). L'infiltration des eaux usées de dénitrification à travers ces deux sols avec un taux hydraulique continu (130 et 70 L/m2/jour pour les sols très perméable et perméable, respectivement) n'a pas conduit à la production d’importantes quantités de sulfures gazeux et/ou aqueux. En effet, durant l’année de suivi, la concentration maximale en sulfure gazeux et aqueux mesurée a été de 2,1 ppm et de 0,7 mg/L, respectivement. Il est important de rappeler que les symptômes les plus graves apparaissent à partir de concentrations dans l’air atteignant près de 100 ppm (perte de l’odorat, irritation des voies respiratoires, irritation des yeux, etc.) (Canadian Centre for Occupational Health and Safety, 2016). 
\nSelon le suivi des performances hydrauliques, aucune baisse de la capacité d’infiltration n’a été enregistrée pour le sol sablonneux (très perméable), alors qu’un phénomène de colmatage a été observé pour le sol sablo-silteux (perméable) après 37 jours. Deux facteurs ont été reconnus comme potentiellement responsables de l'apparition de ce phénomène de colmatage. Le premier serait la formation d’une couche appelée « biomat » au niveau de la surface d’infiltration. Le deuxième serait lié à la formation d’ocre ferreuse au fond du réacteur contenant le sol sablo-silteux. 
\nFinalement et étant donné les faibles teneurs en sulfures produites lors de l’infiltration des eaux usées dénitrifiées à travers un champ de polissage, il a été jugé important de déterminer les conditions critiques à partir desquelles il y a production de sulfures. L’étude de l’influence de certains paramètres expérimentaux (teneurs en sulfates et en carbone organique dissous, température) sur la production de sulfures aqueux ou gazeux a été effectuée moyennant un plan d’expériences en surface de réponses de type Box-Behnken. Les concentrations maximales enregistrées ont été de 85 ppm pour les sulfures gazeux et de 2,42 mg/L pour les sulfures aqueux. Elles ont été mesurées à une température de 25°C et avec des concentrations de 270 et 90 mg/L en sulfates et en carbone organique dissous, respectivement. Un modèle
\nmathématique a ainsi été généré traduisant l’influence positive des paramètres choisis sur la production des sulfures aqueux. Suivant un ordre décroissant, il a été démontré que la génération des sulfures est influencée par la concentration en carbone organique dissous suivi de la concentration en sulfates et la température. <br /><br />The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due 
\nto technical problems. Please use the PDF version to read the abstract. <br /><br /> Usually, the management of wastewater is handled by municipal infrastructure served by collection and treatment systems. However, when the urban density is low, the dwellings must be connected to decentralized treatment systems. In this context, many companies develop and commercialize technologies that meet environmental requirements established by governmental authorities. Despite the effectiveness of the various processes developed, some technologies require continuous researches and improvements. 
\nIn order to meet the more and more stringent regulations, an autotrophic denitrification process has been recently developed using sulfur and limestone to allow the removal of the nitrate initially present in the effluent. 
\nAccording to a study carried out over a period of one year at the experimental station of the company, the autotrophic denitrification process using sulfur and limestone allows an efficient removal of nitrate, below 5 mg NO3-N/L. The main disadvantage of the implementation of this process might be the production of sulfide during the infiltration of the denitrified effluent in a polishing field. Indeed, acting as an inorganic substrate and as bacterial support in the process of autotrophic denitrification, elemental sulfur is oxidized into sulfates. Under anaerobic conditions, the sulfates could be reduced into sulfide. While sulfate-reducing bacteria (SRB) use sulfates as electron acceptors, hydrogen or organic matter are used as electron donors. Sulfides are known to be toxic to the environment and humans, to be corrosive and to be responsible of bad odors. 
\nThe aim of this research project was to study the potential production of by-products such as sulfides during the infiltration of treated wastewater emerging from a sulfur-utilizing de

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