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Université de Montréal Marais de saules à effluent nul pour le traitement d’eau

Université de Montréal Marais de saules à effluent nul pour le traitement d’eau contaminée par Chloé Frédette Département de sciences biologiques, Faculté des arts et des sciences Thèse présentée en vue de l’obtention du grade de docteure en sciences biologiques Novembre, 2019 © Chloé Frédette, 2019 Université de Montréal Département de sciences biologiques, Faculté de arts et des sciences Cette thèse intitulée : Marais de saules à effluent nul pour le traitement d’eau contaminée Présentée par : Chloé Frédette A été évaluée par un jury composé des personnes suivantes : Marc Amyot, à titre de Président-rapporteur Jacques Brisson, à titre de Directeur de recherche Yves Comeau, à titre de Codirecteur Alain Paquette, à titre de Membre du jury Hans Brix, à titre d’Examinateur externe Résumé Au cours des dernières décennies, un type de marais filtrant, généralement planté de saules, a été développé pour opérer un système de traitement d’eau sans effluent, par évapotranspiration. Ces marais à effluent sont généralement utilisés pour le traitement d’eau usée domestique, mais pourraient aussi présenter une alternative intéressante pour d’autres applications, comme le traitement de lixiviat contaminé. Les guides de conception actuellement disponibles ne permettent toutefois pas de concevoir un système flexible qui permettrait de gérer les grandes variations de volume à traiter liées à la nature même des lixiviats (i.e. résultent entièrement des précipitations) et ne tiennent pas compte de la variation inter et intra-annuelle de l’évapotranspiration (ET) du saule. Cette thèse présente d’abord une revue de littérature de ET du genre Salix et de ses facteurs de variation les plus importants. Il apparaît que les conditions de croissance ont plus d’importance que l’identité spécifique et que la disponibilité en eau, la fertilisation et la contamination sont les principaux facteurs dictant l’ET des saules. L’effet de l’âge, du contexte expérimental, de la densité de plant et du type de sol n’a pas pu être clairement démontrés par cette revue. Ensuite, une étude portant sur le potentiel d’ET de S. miyabeana ‘SX67’ est présentée. Il est démontré qu’un modèle basé sur des paramètres foliaires et sur le déficit de pression de vapeur d’eau dans l’air permet de prédire l’ET de S. miyabeana en condition de marais filtrant. Cette étude permettra entre autres d’améliorer les plans de conception d’un éventuel marais de saules à effluent nul. Pour continuer, la réponse de S. miyabeana ‘SX67’ à différentes concentrations de lixiviat et à différents types de substrats a été étudiée. Ce cultivar s’est montré tolérant aux concentrations du lixiviat brut retrouvées sur un site d’entreposage de poteaux de bois traité. Le type de substrat a influencé la réponse du saule et ses performances écophysiologiques, en plus d’affecter la dynamique des contaminants. Finalement, la modélisation hydrologique d’un système à effluent nul par marais de saules permet de proposer une méthode de dimensionnement des différents compartiments du système pour atteindre un objectif d’effluent nul sur une période de 20 ans, ainsi que de proposer des solutions de conception et d’opération optimale. L’application du modèle au cas spécifique d’un site d’entreposage de poteaux de bois traité a permis d’évaluer la faisabilité, d’un point de vue hydrologique, de cette technologie dans le contexte climatique du sud du Québec. Sur la base de cette étude, la principale limite pour l’application des marais à effluent nul au Québec sont la surface de marais et le volume de stockage requis. Dans le cas où une étape de prétraitement efficace précède le marais de saule, la durée de vie du marais ne devrait pas être limitante et dépendra principalement de la durée de vie des végétaux. Cependant, le destin des contaminants dans le système, qu’il s’agisse de la disposition des contaminants accumulés à l’étape de prétraitement ou d’une éventuelle translocation de contaminants dans les parties aériennes des végétaux, devrait être considéré avant d’établir un système à effluent nul. Les résultats de cette recherche permettent, entre autres, de proposer les marais de saules à effluent nul comme une alternative intéressante pour le traitement d’eau contaminée au Québec. Mots-clés : marais évapotranspirant, marais à effluent nul, phytotechnologie, traitement de lixiviat, évapotranspiration, génie écologique Abstract During the last decades, a type of constructed wetlands, usually planted with willows, was developed to operate a water treatment system with zero effluent, by evapotranspiration. These zero liquid discharge wetlands are typically used for domestic wastewater treatment, but could also be an attractive alternative for other applications, such as contaminated leachate treatment. However, the design guidelines currently available do not allow for the design of a flexible system that would manage the large variations of volume to be treated related to the very nature of leachates (i.e. produced entirely from precipitation) and do not take into account inter and intra-annual variation of willows evapotranspiration (ET). This thesis first presents a literature review of ET for the genus Salix and its most important driving factors. It appears that growing conditions are more important than species identity and that water availability, fertilization and contamination are the main factors dictating ET in willow. The effect of age, experimental context, planting density, and soil type could not be clearly demonstrated by this review. Then, a study on the potential ET of S. miyabeana 'SX67' is presented. It is shown that a model based on foliar parameters and on the water vapor pressure deficit in the air makes it possible to predict the ET of S. miyabeana under wetland conditions. This study will, among other things, improve the design plans for a potential zero effluent willow wetland. To continue, the response of S. miyabeana 'SX67' to different leachate concentrations and different types of substrates was studied. This cultivar has been tolerant of raw leachate concentrations found at a treated wood pole storage site. The type of substrate influenced the willow response and ecophysiological performance, and affected the dynamics of the contaminants. Finally, the hydrological modelling of a system with zero effluent by willow bed makes it possible to propose a method of dimensioning for the different compartments of the system in order to reach a zero effluent objective over a period of 20 years, as well as to propose solutions for optimal design and operation. The application of the model to the specific case of a treated wood pole storage site made it possible to assess the hydrological feasibility of this technology in the climate context of southern Quebec. On the basis of this study, the main limit for the application of zero effluent willow bed in Quebec is the wetland area and the storage volume required. In the case where an effective pre-treatment step precedes the willow bed, the life of the wetland should not be limiting and will depend mainly on the lifespan of the plants. However, the fate of the contaminants in the system, be it the disposition of the accumulated contaminants at the pre-treatment stage or a possible translocation of contaminants into the aerial parts of the plants, should be considered before establishing a system with zero effluent. The results of this research make it possible, among other things, to propose zero-effluent willow wetlands as an interesting alternative for the treatment of contaminated water in Quebec. Key words: evapotranspiration wetland, zero discharge wetland, phytotechnology, leachate treatment, willow evapotranspiration, ecological engineering Table des matières Liste des Figures .................................................................................................................1 Liste des Tableaux ..............................................................................................................9 Liste des symboles .............................................................................................................14 Liste des Annexes ..............................................................................................................18 Remerciements ..................................................................................................................19 Chapitre 1 | Introduction ............................................................ 20 1.1 Traitement d’eau contaminée .................................................................................. 20 1.1.1 Source et type de contamination ..................................................................................20 1.1.2 Méthodes de traitement ................................................................................................22 1.1.3 Défis du traitement d’eau contaminée .........................................................................24 1.2. Effluent nul et systèmes évapotranspirants ........................................................... 25 1.2.1 Le concept d’effluent nul .............................................................................................25 1.2.2 Traitement d’eau par évaporation ...............................................................................27 1.2.3 Marais de saules à effluent nul ....................................................................................27 1.2.3.1 Concept et utilisation ..............................................................................................27 1.2.3.2 Sélection des végétaux............................................................................................28 1.2.3.3 Défis et enjeux des marais à effluent nul ................................................................30 1.3. Étude de cas : traitement de lixiviats contaminés aux produits de préservation du bois .............................................................................................................................. 33 1.3.1 Problématique ...............................................................................................................33 1.3.2 Description du système de traitement ..........................................................................35 1.3.3 Réalisations antérieures et perspectives .......................................................................37 1.4 Objectifs de recherche .............................................................................................. 37 1.4.1 Déterminer la capacité d’évapotranspiration de Salix miyabeana (SX67) en marais filtrant ....................................................................................................................................38 1.4.2 Déterminer la réponse écophysiologique de Salix miyabeana (SX67) à un gradient de concentration de contamination à l’ACC et au PCP .......................................................38 1.4.3 Concevoir et optimiser un système de traitement d’eau à effluent nul par marais de saules ......................................................................................................................................39 1.5 Organisation de la thèse ........................................................................................... 40 Chapitre 2 | Willows for environmental projects: A literature review of results on evapotranspiration rate and its driving factors across the genus Salix ..................................................... 41 Abstract ............................................................................................................................ 42 2.1 Introduction ............................................................................................................... 43 2.2 Methods ...................................................................................................................... 46 2.2.1 Literature review ...........................................................................................................46 2.2.1.1 Articles selection ....................................................................................................46 2.2.1.2 ET data transformation ...........................................................................................47 2.2.2 Comparative analysis based on experimental variables ..............................................48 2.2.2.1. Plant variables .......................................................................................................48 2.2.2.2. Environmental and management variables ............................................................49 2.2.3 Statistical analysis ........................................................................................................51 2.3 Results ........................................................................................................................ 53 2.3.1 Article selection and data transformation ...................................................................53 2.3.2 Comparative analysis ....................................................................................................54 2.3.2.1 Plant variables ........................................................................................................55 2.3.2.2 Environmental and management variables .............................................................55 2.4 Discussion ................................................................................................................... 57 2.5 Conclusions ................................................................................................................ 66 Chapitre 3 | uploads/Sante/ fredette-chloe-2019-these.pdf