Optimization of energy consumption in wastewater pumping

Pumppauksessa arvioidaan olevan niin teknisesti kuin taloudellisestikin huomattavia mahdollisuuksia säästää energiaa. Maailmanlaajuisesti pumppaus kuluttaa lähes 22 % sähkö-moottorien energiantarpeesta. Tietyillä teollisuudenaloilla jopa yli 50 % moottorien käyttämästä sähköenergiasta voi kulua pumppaukseen. Jäteveden pumppauksessa pumppujen toiminta perustuu tyypillisesti on-off käyntiin, jolloin pumpun ollessa päällä se käy täydellä teholla. Monissa tapauksissa pumput ovat myös ylimitoitettuja. Yhdessä nämä seikat johtavat kasvaneeseen energian kulutukseen. Työn teoriaosassa esitellään perusteet jätevesihuollosta ja jäteveden käsittelystä sekä pumppaussysteemin pääkomponentit: pumppu, putkisto, moottori ja taajuusmuuttaja. Työn empiirisessä osassa esitellään työn aikana kehitetty laskuri, jonka avulla voidaan arvioida energiansäästöpotentiaalia jäteveden pumppaussysteemeissä. Laskurilla on mandollista laskea energiansäästöpotentiaali käytettäessä pumpun tuoton ohjaustapana pyörimisnopeuden säätöä taajuusmuuttajalla on-off säädön sijasta. Laskuri ilmoittaa optimaalisimmanpumpun pyörimisnopeuden sekä ominaisenergiankulutuksen. Perustuen laskuriin, kolme kunnallista jätevedenpumppaamoa tutkittiin. Myös laboratorio-testitsuoritettiin laskurin simuloimiseksi sekä energiansäästöpotentiaalin arvioimiseksi. Tutkimukset osoittavat, että jätevedenpumppauksessa on huomattavia mandollisuuksia säästää energiaa pumpun pyörimisnopeutta pienentämällä. Geodeettisen nostokorkeuden ollessa pieni, voidaan energiaa säästää jopa 50 % ja pitkällä aikavälillä säästö voi olla merkittävä. Tulokset vahvistavat myös tarpeen jätevedenpumppaussysteemien toiminnan optimoimiseksi.

Anaerobic treatment of deinking pulp plant effluents

Anaerobic treatment as a first biological stage in wastewater treatment is nowadays a well-established technology in recycled paper processing mills using closed water circuits. Today further developed high-rate processes and especially high-tower reactors are also able to handle lower organic loads and become therefore feasible for deinking pulp plant effluents. The interest in the anaerobic method is based on a positive energy balance in form of biogas production and low biomass yield from the process. The anaerobic treatment method was researched and its suitability for the deinking pulp plant effluents was tested experimentally at Stora Enso Maxau mill. In the theory, the deinking pulp process is introduced and the effluents from the deinking process are characterized. The anaerobic treatment is brought up in depth in terms of its use for the deinking effluents, and different kind of reactor types are presented. In addition, other wastewater treatment methods are shortly introduced with the focus on tertiary treatment. Static biodegradability tests were carried out for the wastewaters both anaerobically and aerobically. Based on the results, the deinking effluents can be degraded anaerobically, and inhibition to the methanogenic bacteria was not noticed. In the aerobic static test a good performance of the existing wastewater treatment plant at Maxau mill was proved. Later on pilot trials with sequential anaerobic-aerobic treatment were carried out for the deinking effluents. The anaerobic reactor used was a so called internal circulation reactor. The results confirmed that the combination of the anaerobic treatment and the aerobic activated sludge process is a suitable method for deinking wastewaters with a COD reduction as good as with a two stage aerobic method. When combined with the outstanding quality of the produced biogas and the cost savings acquired from the lower sludge production, the anaerobic treatment was found to be an especially favorable treatment method.

Filtration of effluents for microirrigation systems

Clogging, measured through head loss across filters, and the filtration quality of different filters using different effluents were studied. The filters used were: 115, 130, and 200 m disc filters; 98, 115, 130, and 178 m screen filters; and a sand filter filled with a single layer of sand with an effective diameter of 0.65 mm. The filters were used with a meat industry effluent and secondary and tertiary effluents of two wastewater treatment plants. It was observed that clogging depended on the type of effluent. With the meat industry effluent, the poorest quality effluent, disc filters clogged more than the other filter types. When the wastewater treatment plant effluents were used, the disc filters showed less frequent clogging. Several physical and chemical parameters, such as total suspended solids, chemical oxygen demand, turbidity, electrical conductivity, pH, and number of particles, were analyzed in the effluents at the entry and exit points of the filters. In general, filters did not reduce the values of the main clogging parameters to a great degree. It was found that the parameter that explained the clogging, expressed as Boucher’s filterability index, was different depending on the type of effluent and filter. The best quality of filtration was achieved with a sand filter when the meat industry effluent was used. No significant differences were observed between the quality of filtration of disc and screen filters when operating with the secondary and tertiary effluents

Assessing the added value of wastewater-based epidemiology to monitor illicit drug use

Wastewater-based epidemiology consists in acquiring relevant information about the lifestyle and health status of the population through the analysis of wastewater samples collected at the influent of a wastewater treatment plant. Whilst being a very young discipline, it has experienced an astonishing development since its firs application in 2005. The possibility to gather community-wide information about drug use has been among the major field of application. The wide resonance of the first results sparked the interest of scientists from various disciplines. Since then, research has broadened in innumerable directions. Although being praised as a revolutionary approach, there was a need to critically assess its added value, with regard to the existing indicators used to monitor illicit drug use. The main, and explicit, objective of this research was to evaluate the added value of wastewater-based epidemiology with regards to two particular, although interconnected, dimensions of illicit drug use. The first is related to trying to understand the added value of the discipline from an epidemiological, or societal, perspective. In other terms, to evaluate if and how it completes our current vision about the extent of illicit drug use at the population level, and if it can guide the planning of future prevention measures and drug policies. The second dimension is the criminal one, with a particular focus on the networks which develop around the large demand in illicit drugs. The goal here was to assess if wastewater-based epidemiology, combined to indicators stemming from the epidemiological dimension, could provide additional clues about the structure of drug distribution networks and the size of their market. This research had also an implicit objective, which focused on initiating the path of wastewater- based epidemiology at the Ecole des Sciences Criminelles of the University of Lausanne. This consisted in gathering the necessary knowledge about the collection, preparation, and analysis of wastewater samples and, most importantly, to understand how to interpret the acquired data and produce useful information. In the first phase of this research, it was possible to determine that ammonium loads, measured directly in the wastewater stream, could be used to monitor the dynamics of the population served by the wastewater treatment plant. Furthermore, it was shown that on the long term, the population did not have a substantial impact on consumption patterns measured through wastewater analysis. Focussing on methadone, for which precise prescription data was available, it was possible to show that reliable consumption estimates could be obtained via wastewater analysis. This allowed to validate the selected sampling strategy, which was then used to monitor the consumption of heroin, through the measurement of morphine. The latter, in combination to prescription and sales data, provided estimates of heroin consumption in line with other indicators. These results, combined to epidemiological data, highlighted the good correspondence between measurements and expectations and, furthermore, suggested that the dark figure of heroin users evading harm-reduction programs, which would thus not be measured by conventional indicators, is likely limited. In the third part, which consisted in a collaborative study aiming at extensively investigating geographical differences in drug use, wastewater analysis was shown to be a useful complement to existing indicators. In particular for stigmatised drugs, such as cocaine and heroin, it allowed to decipher the complex picture derived from surveys and crime statistics. Globally, it provided relevant information to better understand the drug market, both from an epidemiological and repressive perspective. The fourth part focused on cannabis and on the potential of combining wastewater and survey data to overcome some of their respective limitations. Using a hierarchical inference model, it was possible to refine current estimates of cannabis prevalence in the metropolitan area of Lausanne. Wastewater results suggested that the actual prevalence is substantially higher compared to existing figures, thus supporting the common belief that surveys tend to underestimate cannabis use. Whilst being affected by several biases, the information collected through surveys allowed to overcome some of the limitations linked to the analysis of cannabis markers in wastewater (i.e., stability and limited excretion data). These findings highlighted the importance and utility of combining wastewater-based epidemiology to existing indicators about drug use. Similarly, the fifth part of the research was centred on assessing the potential uses of wastewater-based epidemiology from a law enforcement perspective. Through three concrete examples, it was shown that results from wastewater analysis can be used to produce highly relevant intelligence, allowing drug enforcement to assess the structure and operations of drug distribution networks and, ultimately, guide their decisions at the tactical and/or operational level. Finally, the potential to implement wastewater-based epidemiology to monitor the use of harmful, prohibited and counterfeit pharmaceuticals was illustrated through the analysis of sibutramine, and its urinary metabolite, in wastewater samples. The results of this research have highlighted that wastewater-based epidemiology is a useful and powerful approach with numerous scopes. Faced with the complexity of measuring a hidden phenomenon like illicit drug use, it is a major addition to the panoply of existing indicators. -- L'épidémiologie basée sur l'analyse des eaux usées (ou, selon sa définition anglaise, « wastewater-based epidemiology ») consiste en l'acquisition d'informations portant sur le mode de vie et l'état de santé d'une population via l'analyse d'échantillons d'eaux usées récoltés à l'entrée des stations d'épuration. Bien qu'il s'agisse d'une discipline récente, elle a vécu des développements importants depuis sa première mise en oeuvre en 2005, notamment dans le domaine de l'analyse des résidus de stupéfiants. Suite aux retombées médiatiques des premiers résultats de ces analyses de métabolites dans les eaux usées, de nombreux scientifiques provenant de différentes disciplines ont rejoint les rangs de cette nouvelle discipline en développant plusieurs axes de recherche distincts. Bien que reconnu pour son coté objectif et révolutionnaire, il était nécessaire d'évaluer sa valeur ajoutée en regard des indicateurs couramment utilisés pour mesurer la consommation de stupéfiants. En se focalisant sur deux dimensions spécifiques de la consommation de stupéfiants, l'objectif principal de cette recherche était focalisé sur l'évaluation de la valeur ajoutée de l'épidémiologie basée sur l'analyse des eaux usées. La première dimension abordée était celle épidémiologique ou sociétale. En d'autres termes, il s'agissait de comprendre si et comment l'analyse des eaux usées permettait de compléter la vision actuelle sur la problématique, ainsi que déterminer son utilité dans la planification des mesures préventives et des politiques en matière de stupéfiants actuelles et futures. La seconde dimension abordée était celle criminelle, en particulier, l'étude des réseaux qui se développent autour du trafic de produits stupéfiants. L'objectif était de déterminer si cette nouvelle approche combinée aux indicateurs conventionnels, fournissait de nouveaux indices quant à la structure et l'organisation des réseaux de distribution ainsi que sur les dimensions du marché. Cette recherche avait aussi un objectif implicite, développer et d'évaluer la mise en place de l'épidémiologie basée sur l'analyse des eaux usées. En particulier, il s'agissait d'acquérir les connaissances nécessaires quant à la manière de collecter, traiter et analyser des échantillons d'eaux usées, mais surtout, de comprendre comment interpréter les données afin d'en extraire les informations les plus pertinentes. Dans la première phase de cette recherche, il y pu être mis en évidence que les charges en ammonium, mesurées directement dans les eaux usées permettait de suivre la dynamique des mouvements de la population contributrice aux eaux usées de la station d'épuration de la zone étudiée. De plus, il a pu être démontré que, sur le long terme, les mouvements de la population n'avaient pas d'influence substantielle sur le pattern de consommation mesuré dans les eaux usées. En se focalisant sur la méthadone, une substance pour laquelle des données précises sur le nombre de prescriptions étaient disponibles, il a pu être démontré que des estimations exactes sur la consommation pouvaient être tirées de l'analyse des eaux usées. Ceci a permis de valider la stratégie d'échantillonnage adoptée, qui, par le bais de la morphine, a ensuite été utilisée pour suivre la consommation d'héroïne. Combinée aux données de vente et de prescription, l'analyse de la morphine a permis d'obtenir des estimations sur la consommation d'héroïne en accord avec des indicateurs conventionnels. Ces résultats, combinés aux données épidémiologiques ont permis de montrer une bonne adéquation entre les projections des deux approches et ainsi démontrer que le chiffre noir des consommateurs qui échappent aux mesures de réduction de risque, et qui ne seraient donc pas mesurés par ces indicateurs, est vraisemblablement limité. La troisième partie du travail a été réalisée dans le cadre d'une étude collaborative qui avait pour but d'investiguer la valeur ajoutée de l'analyse des eaux usées à mettre en évidence des différences géographiques dans la consommation de stupéfiants. En particulier pour des substances stigmatisées, telles la cocaïne et l'héroïne, l'approche a permis d'objectiver et de préciser la vision obtenue avec les indicateurs traditionnels du type sondages ou les statistiques policières. Globalement, l'analyse des eaux usées s'est montrée être un outil très utile pour mieux comprendre le marché des stupéfiants, à la fois sous l'angle épidémiologique et répressif. La quatrième partie du travail était focalisée sur la problématique du cannabis ainsi que sur le potentiel de combiner l'analyse des eaux usées aux données de sondage afin de surmonter, en partie, leurs limitations. En utilisant un modèle d'inférence hiérarchique, il a été possible d'affiner les actuelles estimations sur la prévalence de l'utilisation de cannabis dans la zone métropolitaine de la ville de Lausanne. Les résultats ont démontré que celle-ci est plus haute que ce que l'on s'attendait, confirmant ainsi l'hypothèse que les sondages ont tendance à sous-estimer la consommation de cannabis. Bien que biaisés, les données récoltées par les sondages ont permis de surmonter certaines des limitations liées à l'analyse des marqueurs du cannabis dans les eaux usées (i.e., stabilité et manque de données sur l'excrétion). Ces résultats mettent en évidence l'importance et l'utilité de combiner les résultats de l'analyse des eaux usées aux indicateurs existants. De la même façon, la cinquième partie du travail était centrée sur l'apport de l'analyse des eaux usées du point de vue de la police. Au travers de trois exemples, l'utilisation de l'indicateur pour produire du renseignement concernant la structure et les activités des réseaux de distribution de stupéfiants, ainsi que pour guider les choix stratégiques et opérationnels de la police, a été mise en évidence. Dans la dernière partie, la possibilité d'utiliser cette approche pour suivre la consommation de produits pharmaceutiques dangereux, interdits ou contrefaits, a été démontrée par l'analyse dans les eaux usées de la sibutramine et ses métabolites. Les résultats de cette recherche ont mis en évidence que l'épidémiologie par l'analyse des eaux usées est une approche pertinente et puissante, ayant de nombreux domaines d'application. Face à la complexité de mesurer un phénomène caché comme la consommation de stupéfiants, la valeur ajoutée de cette approche a ainsi pu être démontrée.

Puhdistetun jäteveden patogeenit ja desinfiointitarve

Turun seudulla kuuden kunnan jätevesien käsittely keskitetään Kakolanmäen kallion sisälle rakennettuun jätevedenpuhdistamoon, joka otetaan käyttöön vuoden 2008 lopulla. Kakolanmäen jätevedenpuhdistamolla on varauduttu tulevaisuudessa kiristyviin lupaehtoihin sekä mahdollisiin puhdistetun jäteveden hygieenistä laatua koskeviin lisämääräyksiin jättämällä tilavaraus puhdistetun jäteveden desinfioimiselle ultraviolettivalolla. Diplomityössä on selvitetty vuoden kestäneessä tutkimusjaksossa 1.9.2006- 31.8.2007 Turun kaupungin keskuspuhdistamolta mereen johdetun puhdistetun jäteveden ja esiselkeytetyn ohitusveden hygieenisen laadun vaihtelua. Jäteveden desinfiointitarvetta on arvioitu tarkastelemalla jätevedenpuhdistamon hygieenistä puhdistustulosta ja jätevesien vaikutusta purkuvesistön hygieeniseen tilaan. Tutkimuksen perusteella virtaama ei vaikuttanut merkittävästi jäteveden ulosteperäisten bakteerien määriin. Sen sijaan jäteveden bakteeripitoisuudet laskivat alhaisissa lämpötiloissa. Lämpötilan vaikutus näkyi selkeämmin esiselkeytetyssä kuin puhdistetussa jätevedessä eli bakteerien poistumiseen aktiivilietevaiheen aikana vaikuttavat muut tekijät. Mitä tehokkaammin aktiivilietevaihe toimi, sitä tehokkaammin myös bakteereja poistui. Taudinaiheuttajabakteerit selvisivät puhdistusprosessista paremmin viileän kauden aikana. Puhdistetun jäteveden hygieeninen laatu ei täyttänyt uimaveden tai kasteluveden laatuvaatimuksia, joten desinfiointitarve olisi perustelua. Jätevesien vaikutus Turun edustan merialueen hygieeniseen tilaan näkyi ajoittain korkeina bakteeripitoisuuksina purkupaikan lähistöllä. Vielä ei ole suoraa näyttöä siitä aiheuttavatko jätevedet purkupaikan lähistön uimarannoilla terveydellisiä riskejä. Jäteveden UV-desinfiointi kannattava toteuttaa vain jos hygieeninen puhdistusvelvoite määrätään. UV-desinfioinnin mitoituksessa Kakolanmäen jätevedenpuhdistamolla tulee ottaa huomioon suurin sallittu hydraulinen painehäviö. Mitoitus voidaan tehdä puhdistamon käyttöönoton jälkeen kun tarvitut prosessimittaustiedot ovat saatavilla.

Emissão de óxido nitroso de estação de tratamento de esgoto de lodos ativados por aeração prolongada - estudo preliminar

Nitrous oxide emissions from an activated sludge plant which serves a research institute in Rio de Janeiro city were estimated from six unit processes (grit tank, sand trap, aeration tank, secondary settling tank, sludge recirculation line and aerobic digester sludge tank) and also from the plant effluent. Total estimated annual flux was 3.2 x 10(4) g N2O yr-1 of which about 90% was from the aeration tank. Emission factors estimated from population served, wastewater flow and nitrogen load (conversion ratio) were 13 g N2O person-1 yr-1, 9.0 x 10-5 g N2O Lwastewater-1 and 0.14%.

The Methods of Possible Joint Treatment of Manure and Sewage Sludge in the Leningrad Region

The nutrient load to the Gulf of Finland has started to increase as a result of the strong economic recovery in agriculture and livestock farming in the Leningrad region. Also sludge produced from municipal wastewater treatment plant of the Leningrad region causes the great impact on the environment, but still the main options for its treatment is disposal on the sludge beds or Landfills. The aim of this study was to evaluate the implementation of possible joint treatment methods of manure form livestock and poultry enterprises and sewage sludge produced from municipal wastewater treatment plants in the Leningrad region. The study is based on published data. The most attention was put on the anaerobic digestion and incineration methods. The manure and sewage sludge generation for the whole Leningrad region and energy potential produced from their treatment were estimated. The calculations showed that total amount of sewage sludge generation is 1 348 000 t/a calculated on wet matter and manure generation is 3 445 000 t/a calculated on wet matter. The potential heat release from anaerobic digestion process and incineration process is 4 880 000 GJ/a and 5 950 000 GJ/a, respectively. Furthermore, the work gives the overview of the general Russian and Finnish legislation concerning manure and sewage sludge treatment. In the Gatchina district it was chosen the WWTP and livestock and poultry enterprises for evaluation of the centralized treatment plant implementation based on anaerobic digestion and incineration methods. The electricity and heat power of plant based on biogas combustion process is 4.3 MW and 7.8 MW, respectively. The electricity and heat power of plant based on manure and sewage sludge incineration process is 3.0 MW and 6.1 MW, respectively.

Photo-Fenton process for treating biological laboratory wastewater containing formaldehyde

Laboratories consume great amounts of hazardous chemicals substances and consequently generate wastewater containing them, for example formaldehyde. This substance is widely utilized to preserve biological samples generating many liters of this residue every year. The present work proposes the use of the photo-Fenton process to treat formaldehyde wastewater using sunlight irradiation. Some aspects were investigated such as the iron source, sample and hydrogen peroxide concentration and also the use of stirred systems. The use of ferrioxalate (0.5 mmol L-1) improved the efficiency of the process in relation to the use of iron nitrate, while at least 1.0 mol L-1 H2O2 is necessary to treat the sample of the 500 mg C L-1. Under these conditions, every formaldehyde detectable was degradeted and 89% of the dissolved organic carbon was removed in two hours of exposure to sunlight. These results are satisfaction considerate for São Paulo State Environmental Agency.

Electrocoagulation in the treatment of industrial waters and wastewaters

Chemical coagulation is commonly used in raw water and wastewater treatment plants for the destabilisation of pollutants so that they can be removed in the subsequent separation processes. The most commonly used coagulation chemicals are aluminium and iron metal salts. Electrocoagulation technology has also been proposed for the treatment of raw waters and wastewaters. With this technology, metal cations are produced on the electrodes via electrolysis and these cations form various hydroxides in the water depending on the water pH. In addition to this main reaction, several side reactions, such as hydrogen bubble formation and the reduction of metals on cathodes, also take place in the cell. In this research, the applications of electrocoagulation were investigated in raw water treatment and wastewater applications. The surface water used in this research contained high concentrations of natural organic matter (NOM). The effect of the main parameters – current density, initial pH, electric charge per volume, temperature and electrolysis cell construction – on NOM removal were investigated. In the wastewater treatment studies, the removal of malodorous sulphides and toxic compounds from the wastewaters and debarking effluents were studied. Also, the main parameters of the treatment, such as initial pH and current density, were investigated. Aluminium electrodes were selected for the raw water treatment, whereas wastewaters and debarking effluent were treated with iron electrodes. According to results of this study, aluminium is more suitable electrode material for electrocoagulation applications because it produces Al(III) species. Metal ions and hydroxides produced by iron electrodes are less effective in the destabilisation of pollutants because iron electrodes produce more soluble and less charged Fe(II) species. However, Fe(II) can be effective in some special applications, such as sulphide removal. The resulting metal concentration is the main parameter affecting destabilisation of pollutants. Current density, treatment time, temperature and electrolysis cell construction affect the dissolution of electrodes and hence also the removal of pollutants. However, it seems that these parameters have minimal significance in the destabilization of the pollutants besides this effect (in the studied range of parameters). Initial pH and final pH have an effect on the dissolution of electrodes, but they also define what aluminium or iron species are formed in the solution and have an effect on the ζ-potential of all charged species in the solution. According to the results of this study, destabilisation mechanisms of pollutants by electrocoagulation and chemical coagulation are similar. Optimum DOC removal and low residual aluminium can be obtained simultaneously with electrocoagulation, which may be a significant benefit of electrocoagulation in surface water treatment compared to chemical coagulation. Surface water treatment with electrocoagulation can produce high quality water, which could be used as potable water or fresh water for industrial applications. In wastewater treatment applications, electrocoagulation can be used to precipitate malodorous sulphides to prevent their release into air. Technology seems to be able to remove some toxic pollutants from wastewater and could be used as pretreatment prior to treatment at a biological wastewater treatment plant. However, a thorough economic and ecological comparison of chemical coagulation and electrocoagulation is recommended, because these methods seem to be similar in pollutant destabilisation mechanisms, metal consumption and removal efficiency in most applications.

Isolation and identification of native microalgae for biodiesel production

La demande croissante en carburants, ainsi que les changements climatiques dus au réchauffement planétaire poussent le monde entier à chercher des sources d’énergie capables de produire des combustibles alternatifs aux combustibles fossiles. Durant les dernières années, plusieurs sources potentielles ont été identifiées, les premières à être considérées sont les plantes oléagineuses comme source de biocarburant, cependant l’utilisation de végétaux ou d’huiles végétales ayant un lien avec l’alimentation humaine peut engendrer une hausse des prix des denrées alimentaires, sans oublier les questions éthiques qui s’imposent. De plus, l'usage des huiles non comestibles comme sources de biocarburants, comme l’huile de jatropha, de graines de tabac ou de jojoba, révèle un problème de manque de terre arable ce qui oblige à réduire les terres cultivables de l'industrie agricole et alimentaire au profit des cultures non comestibles. Dans ce contexte, l'utilisation de microorganismes aquatiques, tels que les microalgues comme substrats pour la production de biocarburant semble être une meilleure solution. Les microalgues sont faciles à cultiver et peuvent croitre avec peu ou pas d'entretien. Elles peuvent ainsi se développer dans des eaux douces, saumâtres ou salées de même que dans les terres non cultivables. Le rendement en lipide peut être largement supérieur aux autres sources de biocarburant potentiel, sans oublier qu’elles ne sont pas comestibles et sans aucun impact sur l'industrie alimentaire. De plus, la culture intensive de microalgues pour la production de biodiesel pourrait également jouer un rôle important dans l'atténuation des émissions de CO2. Dans le cache de ce travail, nous avons isolé et identifié morphologiquement des espèces de microalgues natives du Québec, pour ensuite examiner et mesurer leur potentiel de production de lipides (biodiesel). L’échantillonnage fut réalisé dans trois régions différentes du Québec: la région de Montréal, la gaspésie et le nord du Québec, et dans des eaux douces, saumâtres ou salées. Cent souches ont été isolées à partir de la région de Montréal, caractérisées et sélectionnées selon la teneur en lipides et leur élimination des nutriments dans les eaux usées à des températures différentes (10 ± 2°C et 22 ± 2°C). Les espèces ayant une production potentiellement élevée en lipides ont été sélectionnées. L’utilisation des eaux usées, comme milieu de culture, diminue le coût de production du biocarburant et sert en même temps d'outil pour le traitement des eaux usées. Nous avons comparé la biomasse et le rendement en lipides des souches cultivées dans une eau usée par apport à ceux dans un milieu synthétique, pour finalement identifié un certain nombre d'isolats ayant montré une bonne croissance à 10°C, voir une teneur élevée en lipides (allant de 20% à 45% du poids sec) ou une grande capacité d'élimination de nutriment (>97% d'élimination). De plus, nous avons caractérisé l'une des souches intéressantes ayant montré une production en lipides et une biomasse élevée, soit la microalgue Chlorella sp. PCH90. Isolée au Québec, sa phylogénie moléculaire a été établie et les études sur la production de lipides en fonction de la concentration initiale de nitrate, phosphate et chlorure de sodium ont été réalisées en utilisant de la méthodologie des surfaces de réponse. Dans les conditions appropriées, cette microalgue pourrait produire jusqu'à 36% de lipides et croitre à la fois dans un milieu synthétique et un milieu issu d'un flux secondaire de traitement des eaux usées, et cela à 22°C ou 10°C. Ainsi, on peut conclure que cette souche est prometteuse pour poursuivre le développement en tant que productrice potentielle de biocarburants dans des conditions climatiques locales.

Influence of plant species and richness on pollutant removal in treatment wetlands

Les marais filtrants artificiels sont des écosystèmes recréés par l’homme dans le but d’optimiser l’épuration des eaux usées. Lors de la sélection d’espèces végétales pour la mise en place de ces marais filtrants, l’utilisation d’une polyculture ainsi que d’espèces indigènes non invasives est de plus en plus recommandée. Néanmoins, la plupart des marais filtrants existants sont des monocultures utilisant des plantes envahissantes, probablement à cause du manque d’évidences scientifiques sur les avantages de la diversité végétale et de la performance des espèces locales. Ainsi, les questions de recherche autour desquelles s’oriente ma thèse sont: Les polycultures présentent-elles un potentiel épuratoire aussi ou plus grand que les monocultures, et une espèce indigène est-elle aussi efficace et performante qu’une espèce exotique envahissante dans des marais filtrants ? Trois expériences ont été conduites afin de répondre à ces questions. J’ai d’abord testé l’influence de la richesse végétale sur l’élimination des polluants en deux dispositifs expérimentaux: 1) comparant deux espèces de plantes émergentes en monoculture ou combinées séquentiellement, et 2) évaluant la performance de quatre espèces flottantes plantées en monoculture par rapport à des associations de deux (avec toutes les combinaisons possibles) et de quatre espèces. Une troisième expérience a été réalisée afin de comparer l’efficacité épuratoire de l’haplotype européen envahissant du roseau commun (Phragmites australis) et de la sous-espèce locale non-invasive (P. australis subsp. americanus). La composition en espèces végétales a produit un effet notable sur la performance des marais filtrants. La comparaison des performances en mono- et en polyculture n’a pas permis de démontrer clairement les avantages de la diversité végétale pour l’élimination des polluants dans les marais filtrants. Toutefois, les marais filtrants plantés avec une combinaison d’espèces étaient aussi efficaces que les monocultures des espèces les plus performantes. La comparaison entre les deux sous-espèces de P. australis indiquent que la sous-espèce indigène pourrait remplacer le roseau exotique envahissant, évitant ainsi les potentiels risques environnementaux sans toutefois compromettre l’efficacité du traitement. Les résultats prometteurs de la sous-espèce indigène de P. australis doivent encore être testés dans des expériences à grande échelle avant d’utiliser largement cette espèce dans les marais filtrants. Nos résultats suggèrent que, dans des conditions où la performance des macrophytes disponibles est inconnue ou ne peut être déterminée, l’utilisation d’une combinaison d’espèces présente les meilleures chances d’accomplir le plus haut niveau possible d’élimination de polluants. De plus, même si la diversité végétale ne présente pas un avantage mesurable en termes d’efficacité épuratoire, celle-ci améliore la résilience des marais filtrants et leur résistance aux stress et aux maladies.

Characterization of microalgae native to Quebec for biofuel production.

La production de biodiésel par des microalgues est intéressante à plusieurs niveaux. Dans le premier chapitre, un éventail de pour et contres concernant l’utilisation de microalgues pour la production de biocarburant sont ici révisés. La culture d’algues peut s'effectuer en utilisant des terres non-arables, de l’eau non-potable et des nutriments de base. De plus, la biomasse produite par les algues est considérablement plus importante que celle de plantes vasculaires. Plusieurs espèces on le contenu lipidique en forme de triacylglycérols (TAGs), qui peut correspondre jusqu'à 30% - 40% du poids sec de la biomasse. Ces proportions sont considérablement plus élevées que celui des huiles contenues dans les graines actuellement utilisées pour le biodiésel de première génération. Par contre, une production pratique et peu couteuse de biocarburant par des microalgues requiert de surpasser plusieurs obstacles. Ceci inclut le développement de systèmes de culture efficace à faible coût, de techniques de récupération requérant peu d’énergie, et de méthodes d’extraction et de conversion de l’huile non-dommageables pour l’environnement et peu couteuses. Le deuxième chapitre explore l'une des questions importantes soulevées dans le premier chapitre: la sélection d'une souche pour la culture. Une collection de souches de microalgues d'eau douce indigène au Québec a été établi et examiné au niveau de la diversité physiologique. Cette collection est composée de cent souches, que apparaissaient très hétérogènes en terme de croissance lorsque mises en culture à 10±2 °C ou 22±2 °C sur un effluent secondaire d’une usine municipale de traitement des eaux usées (EU), défini comme milieu Bold's Basal Medium (BBM). Des diagrammes de dispersion ont été utilisés pour étudier la diversité physiologique au sein de la collection, montrant plusieurs résultats intéressants. Il y avait une dispersion appréciable dans les taux de croissance selon les différents types de milieux et indépendamment de la température. De manière intéressante, en considérant que tous les isolats avaient initialement été enrichis sur milieu BBM, la distribution était plutôt symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, suggérant que l’enrichissement sur BBM n’a pas semblé biaiser la croissance des souches sur ce milieu par rapport aux EU. Également, considérant que les isolats avaient d’abord été enrichis à 22°C, il est assez surprenant que la distribution de taux de croissance spécifiques soit aussi symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, avec grossièrement des nombres égaux d’isolats de part et d’autre. Ainsi, l’enrichissement à 22°C ne semble pas biaiser les cellules vers une croissance à cette température plutôt que vers 10°C. Les diagrammes de dispersion obtenus lorsque le pourcentage en lipides de cultures sur BBM ont été comparées à des cultures ayant poussé sur EU soit à 10°C ou 22°C rendent évident que la production de lipides est favorisée par la culture sur EU aux deux températures, et que la production lipidique ne semble pas particulièrement plus favorisée par l’une ou l’autre de ces températures. Lorsque la collection a été examinée pour y déceler des différences avec le site d’échantillonnage, une analyse statistique a montré grossièrement que le même degré de diversité physiologique était retrouvé dans les échantillons des deux différents sites. Le troisième chapitre a poursuivi l'évaluation de la culture d'algues au Québec. L’utilisation de déchets industriels riches en nutriments minéraux et en sources de carbone pour augmenter la biomasse finale en microalgues et le produit lipidique à faible coût est une stratégie importante pour rendre viable la technologie des biocarburants par les algues. Par l’utilisation de souches de la collection de microalgues de l’Université de Montréal, ce rapport montre pour la première fois que des souches de microalgues peuvent pousser en présence de xylose, la source de carbone majoritairement retrouvée dans les eaux usées provenant des usines de pâte et papier, avec une hausse du taux de croissance de 2,8 fois par rapport à la croissance photoautotrophe, atteignant jusqu’à µ=1,1/jour. En présence de glycérol, les taux de croissance atteignaient des valeurs aussi élevées que µ=1,52/jour. La production lipidique augmentait jusqu’à 370% en présence de glycérol et 180% avec le xylose pour la souche LB1H10, démontrant que cette souche est appropriée pour le développement ultérieur de biocarburants en culture mixotrophe. L'ajout de xylose en cultures d'algues a montré certains effets inattendus. Le quatrième chapitre de ce travail a porté à comprendre ces effets sur la croissance des microalgues et la production de lipides. Quatre souches sauvages indigènes ont été obersvées quotidiennement, avant et après l’ajout de xylose, par cytométrie en flux. Avec quelques souches de Chlorella, l’ajout de xylose induisait une hausse rapide de l’accumulation de lipide (jusqu’à 3,3 fois) pendant les premières six à douze heures. Aux temps subséquents, les cellules montraient une diminution du contenu en chlorophylle, de leur taille et de leur nombre. Par contre, l’unique membre de la famille des Scenedesmaceae avait la capacité de profiter de la présence de cette source de carbone sous culture mixotrophe ou hétérotrophe sans effet négatif apparent. Ces résultats suggèrent que le xylose puisse être utilisé avant la récolte afin de stimuler l’augmentation du contenu lipidique de la culture d’algues, soit en système de culture continu ou à deux étapes, permettant la biorestauration des eaux usées provenant de l’industrie des pâtes et papiers. Le cinquième chapitre aborde une autre déché industriel important: le dioxyde de carbone et les gaz à effet de serre. Plus de la moitié du dioxyde de carbone qui est émis dans l'atmosphère chaque jour est dégagé par un processus stationnaire, soit pour la production d’électricité ou pour la fabrication industrielle. La libération de CO2 par ces sources pourrait être atténuée grâce à la biorestauration avec microalgues, une matière première putative pour les biocarburants. Néanmoins, toutes les cheminées dégagent un gaz différent, et la sélection des souches d'algues est vitale. Ainsi, ce travail propose l'utilisation d’un état de site particulier pour la bioprospection de souches d'algues pour être utilisé dans le processus de biorestauration. Les résultats montrent que l'utilisation d'un processus d'enrichissement simple lors de l'étape d'isolement peut sélectionner des souches qui étaient en moyenne 43,2% mieux performantes dans la production de biomasse que les souches isolées par des méthodes traditionnelles. Les souches isolées dans ce travail étaient capables d'assimiler le dioxyde de carbone à un taux supérieur à la moyenne, comparées à des résultats récents de la littérature.

Studies on Advanced Oxidation Processes for the Removal of Acetamiprid from Wastewater

Pollution of water with pesticides has become a threat to the man, material and environment. The pesticides released to the environment reach the water bodies through run off. Industrial wastewater from pesticide manufacturing industries contains pesticides at higher concentration and hence a major source of water pollution. Pesticides create a lot of health and environmental hazards which include diseases like cancer, liver and kidney disorders, reproductive disorders, fatal death, birth defects etc. Conventional wastewater treatment plants based on biological treatment are not efficient to remove these compounds to the desired level. Most of the pesticides are phyto-toxic i.e., they kill the microorganism responsible for the degradation and are recalcitrant in nature. Advanced oxidation process (AOP) is a class of oxidation techniques where hydroxyl radicals are employed for oxidation of pollutants. AOPs have the ability to totally mineralise the organic pollutants to CO2 and water. Different methods are employed for the generation of hydroxyl radicals in AOP systems. Acetamiprid is a neonicotinoid insecticide widely used to control sucking type insects on crops such as leafy vegetables, citrus fruits, pome fruits, grapes, cotton, ornamental flowers. It is now recommended as a substitute for organophosphorous pesticides. Since its use is increasing, its presence is increasingly found in the environment. It has high water solubility and is not easily biodegradable. It has the potential to pollute surface and ground waters. Here, the use of AOPs for the removal of acetamiprid from wastewater has been investigated. Five methods were selected for the study based on literature survey and preliminary experiments conducted. Fenton process, UV treatment, UV/ H2O2 process, photo-Fenton and photocatalysis using TiO2 were selected for study. Undoped TiO2 and TiO2 doped with Cu and Fe were prepared by sol-gel method. Characterisation of the prepared catalysts was done by X-ray diffraction, scanning electron microscope, differential thermal analysis and thermogravimetric analysis. Influence of major operating parameters on the removal of acetamiprid has been investigated. All the experiments were designed using central compoiste design (CCD) of response surface methodology (RSM). Model equations were developed for Fenton, UV/ H2O2, photo-Fenton and photocatalysis for predicting acetamiprid removal and total organic carbon (TOC) removal for different operating conditions. Quality of the models were analysed by statistical methods. Experimental validations were also done to confirm the quality of the models. Optimum conditions obtained by experiment were verified with that obtained using response optimiser. Fenton Process is the simplest and oldest AOP where hydrogen peroxide and iron are employed for the generation of hydroxyl radicals. Influence of H2O2 and Fe2+ on the acetamiprid removal and TOC removal by Fenton process were investigated and it was found that removal increases with increase in H2O2 and Fe2+ concentration. At an initial concentration of 50 mg/L acetamiprid, 200 mg/L H2O2 and 20 mg/L Fe2+ at pH 3 was found to be optimum for acetamiprid removal. For UV treatment effect of pH was studied and it was found that pH has not much effect on the removal rate. Addition of H2O2 to UV process increased the removal rate because of the hydroxyl radical formation due to photolyis of H2O2. An H2O2 concentration of 110 mg/L at pH 6 was found to be optimum for acetamiprid removal. With photo-Fenton drastic reduction in the treatment time was observed with 10 times reduction in the amount of reagents required. H2O2 concentration of 20 mg/L and Fe2+ concentration of 2 mg/L was found to be optimum at pH 3. With TiO2 photocatalysis improvement in the removal rate was noticed compared to UV treatment. Effect of Cu and Fe doping on the photocatalytic activity under UV light was studied and it was observed that Cu doping enhanced the removal rate slightly while Fe doping has decreased the removal rate. Maximum acetamiprid removal was observed for an optimum catalyst loading of 1000 mg/L and Cu concentration of 1 wt%. It was noticed that mineralisation efficiency of the processes is low compared to acetamiprid removal efficiency. This may be due to the presence of stable intermediate compounds formed during degradation Kinetic studies were conducted for all the treatment processes and it was found that all processes follow pseudo-first order kinetics. Kinetic constants were found out from the experimental data for all the processes and half lives were calculated. The rate of reaction was in the order, photo- Fenton>UV/ H2O2>Fenton> TiO2 photocatalysis>UV. Operating cost was calculated for the processes and it was found that photo-Fenton removes the acetamiprid at lowest operating cost in lesser time. A kinetic model was developed for photo-Fenton process using the elementary reaction data and mass balance equations for the species involved in the process. Variation of acetamiprid concentration with time for different H2O2 and Fe2+ concentration at pH 3 can be found out using this model. The model was validated by comparing the simulated concentration profiles with that obtained from experiments. This study established the viability of the selected AOPs for the removal of acetamiprid from wastewater. Of the studied AOPs photo- Fenton gives the highest removal efficiency with lowest operating cost within shortest time.

A dynamic knowledge-based decision support system to handle solids separation problems in activated sludge systems: development and validation

El sistema de fangs activats és el tractament biològic més àmpliament utilitzat arreu del món per la depuració d'aigües residuals. El seu funcionament depèn de la correcta operació tant del reactor biològic com del decantador secundari. Quan la fase de sedimentació no es realitza correctament, la biomassa no decantada s'escapa amb l'efluent causant un impacte sobre el medi receptor. Els problemes de separació de sòlids, són actualment una de les principals causes d'ineficiència en l'operació dels sistemes de fangs activats arreu del món. Inclouen: bulking filamentós, bulking viscós, escumes biològiques, creixement dispers, flòcul pin-point i desnitrificació incontrolada. L'origen dels problemes de separació generalment es troba en un desequilibri entre les principals comunitats de microorganismes implicades en la sedimentació de la biomassa: els bacteris formadors de flòcul i els bacteris filamentosos. Degut a aquest origen microbiològic, la seva identificació i control no és una tasca fàcil pels caps de planta. Els Sistemes de Suport a la Presa de Decisions basats en el coneixement (KBDSS) són un grup d'eines informàtiques caracteritzades per la seva capacitat de representar coneixement heurístic i tractar grans quantitats de dades. L'objectiu de la present tesi és el desenvolupament i validació d'un KBDSS específicament dissenyat per donar suport als caps de planta en el control dels problemes de separació de sòlids d'orígen microbiològic en els sistemes de fangs activats. Per aconseguir aquest objectiu principal, el KBDSS ha de presentar les següents característiques: (1) la implementació del sistema ha de ser viable i realista per garantir el seu correcte funcionament; (2) el raonament del sistema ha de ser dinàmic i evolutiu per adaptar-se a les necessitats del domini al qual es vol aplicar i (3) el raonament del sistema ha de ser intel·ligent. En primer lloc, a fi de garantir la viabilitat del sistema, s'ha realitzat un estudi a petita escala (Catalunya) que ha permès determinar tant les variables més utilitzades per a la diagnosi i monitorització dels problemes i els mètodes de control més viables, com la detecció de les principals limitacions que el sistema hauria de resoldre. Els resultats d'anteriors aplicacions han demostrat que la principal limitació en el desenvolupament de KBDSSs és l'estructura de la base de coneixement (KB), on es representa tot el coneixement adquirit sobre el domini, juntament amb els processos de raonament a seguir. En el nostre cas, tenint en compte la dinàmica del domini, aquestes limitacions es podrien veure incrementades si aquest disseny no fos òptim. En aquest sentit, s'ha proposat el Domino Model com a eina per dissenyar conceptualment el sistema. Finalment, segons el darrer objectiu referent al seguiment d'un raonament intel·ligent, l'ús d'un Sistema Expert (basat en coneixement expert) i l'ús d'un Sistema de Raonament Basat en Casos (basat en l'experiència) han estat integrats com els principals sistemes intel·ligents encarregats de dur a terme el raonament del KBDSS. Als capítols 5 i 6 respectivament, es presenten el desenvolupament del Sistema Expert dinàmic (ES) i del Sistema de Raonament Basat en Casos temporal, anomenat Sistema de Raonament Basat en Episodis (EBRS). A continuació, al capítol 7, es presenten detalls de la implementació del sistema global (KBDSS) en l'entorn G2. Seguidament, al capítol 8, es mostren els resultats obtinguts durant els 11 mesos de validació del sistema, on aspectes com la precisió, capacitat i utilitat del sistema han estat validats tant experimentalment (prèviament a la implementació) com a partir de la seva implementació real a l'EDAR de Girona. Finalment, al capítol 9 s'enumeren les principals conclusions derivades de la present tesi.

Operation and control of SBR processes for enhanced biological nutrient removal from wastewater

In the last decades, the awareness of environmental issues has increased in society considerably. There is an increasing need to improve the effluent quality of domestic wastewater treatment processes. This thesis describes the application of the Sequencing Batch Reactor (SBR) technology for Biological Nutrient Removal (BNR) from the wastewater. In particular, the work presented evolves from the nitrogen removal to the biological nutrient removal (i.e. nitrogen plus phosphorous removal) with special attention to the operational strategy design, the identification of possible reactor cycle controls or the influent composition related to the process efficiency. In such sense, also the use of ethanol as an external carbon (when low influent Carbon:Phosphorus (C:P) or Carbon:Nitrogen (C:N) ratios are presented) are studied as an alternative to maintain the BNR efficiency.