Patrick Drogui

Projets de recherche en cours

Élimination à la source des résidus médicamenteux des eaux usées d’hôpitaux : une approche innovatrice de traitement de contaminants émergents

Ce projet de recherche a été mis sur pied pour répondre à une problématique de portée mondiale portant spécifiquement sur l’élimination des contaminants émergents réfractaires (CER) de type résidus médicamenteux issus des eaux usées d’hôpitaux (EUH). Ces contaminants sont à l’origine de nombreuses perturbations de la faune aquatique et constituent de plus un risque pour la santé humaine. Le traitement à la source des résidus médicamenteux, notamment à la sortie des établissements hospitaliers, par l’utilisation de technologies efficaces permettrait de limiter l’impact néfaste de ces rejets dans l’environnement. Pour ce faire, nous entrevoyons l’exploitation du potentiel extraordinaire d’une technologie de biotraitement à membrane (BioUF) (couplé ou non à un procédé d’électro-oxydation avancée (EOA)) pour apporter une solution efficace aux traitements des CER des EUH tout en respectant l’environnement (sans ajout de produits chimiques) et en générant des retombées socioéconomiques au Québec et au Canada. Ces travaux de recherche visent les objectifs principaux suivants :

1) Développer une méthodologie originale de suivi des CER basée sur l’adaptation de méthodes de spectrométrie de masse;

2) Concevoir et tester la technologie de BioUF pour le traitement des CER des EUH;

3) Accroître la capacité de dégradation de ces CER en développant une technologie de couplage BioUF/EOA;

4) Évaluer l’impact écotoxicologique des CER en lien avec le procédé proposé;

5) Réaliser une étude de faisabilité technico-économique.

Financement : CRSNG – Subvention de projet stratégique et Premier Tech

Collaborateurs : Rajeshwar Dayal Tyagi (INRS), Sébastien Sauvé (Université de Montréal)

Développement de technologies avancées de dépollution des eaux

L’objectif principal visé par le présent projet est de mettre à profit les expertises complémentaires de cinq équipes de recherche (canadienne, française, ivoirienne, béninoise et burkinabé) pour relever les défis scientifiques et technologiques dans le domaine névralgique de la dépollution des eaux et de la gestion décentralisée des eaux résiduaires domestiques et industrielles. Cette synergie de compétences multidisciplinaires permettra de renforcer le savoir-faire et d’élargir les connaissances nécessaires au développement de procédés innovants, multitâches et efficaces pour le traitement des eaux contaminées par des polluants organiques persistants (POP), inorganiques et microbiens. De façon plus spécifique, ce projet de recherche vise les quatre objectifs principaux suivants :

1) Développer des unités ultra-oxydantes (photocatalytique/électrolytique) portatives pour l’assainissement autonome (sans ajout de produits chimiques) et capables de dégrader les POP des eaux résiduaires domestiques et effluents industriels;

2) Développer de nouveaux matériaux bio-adsorbants à base de biomasse locale (résidus agricoles) et d’optimiser leur capacité d’adsorption en fonction des conditions d’élaboration. Ces nouveaux matériaux bio-adsorbants seront intégrés dans des réacteurs sous forme de colonnes dans le but de mettre au point des procédés hautement efficaces;

3) Mettre en synergie les techniques ultra-oxydantes (objectif 1) et les propriétés adsorbantes des nouveaux matériaux bio-adsorbants pour accroître la capacité d’élimination de divers types de micropolluants émergents (tels les composés phénoliques, pesticides, hormones, dérivés hormonaux et antibiotiques, etc.);

4) Développer des modèles mathématiques prédictifs basés sur la méthodologie du plan d’expérience et de surface de réponse pour l’optimisation des conditions opératoires lors de l’application des procédés de traitement ultra-oxydants.

Financement : Agence universitaire de la francophonie

Collaborateurs: Martin Pépin Aïna (Ministère de l’Environnement, Bénin), Yohan Richardson (Institut International d’Ingénierie de l’Eau et de l’Environnement, Burkina Faso), Kouassi Benjamin Yao et Kopoin Adouby (Institut national polytechnique Félix Houphouët-Boigny, Côte d’Ivoire), Didier Robert (Université de Strasbourg, France)

Intensification d’une filière de dessalement des eaux de mer par osmose inverse : intégration d’un procédé hybride d’électrocoagulation-électroflottation et de l’énergie solaire

L’objectif général visé par le présent projet est l’amélioration des performances technico-économiques d’une unité de dessalement de l’eau de mer dans le but de la production d’eau potable pour les zones rurales et arides côtières par l’intégration d’un procédé hybride d’électroagulation-électroflotattion (EC-EF) comme étape de prétraitement de l’eau de mer et de l’énergie solaire comme source d’énergie propre. Le faible coût énergétique de ce procédé d’EC-EF dû à la conductivité élevée de l’eau de mer et à la génération de l’électricité par voie photovoltaïque est un atout qui permettra de concevoir une filière de dessalement à la fois économique, efficiente et moins énergivore par la réduction des phénomènes de colmatage et par la suite de l’augmentation de la durée de vie des membranes d’osmose inverse et de la productivité. Le projet s’appuiera sur une double approche couplant l’expérimentation et la simulation dans le but d’identifier les potentialités et les limitations de cette nouvelle technologie, ce qui permettra la conception optimale d’une cellule d’EC-EF, ainsi que la maîtrise des coûts globaux de dessalement par une optimisation techno-économique.

Financement : Centre national pour la recherche scientifique et technique (Maroc)

Traitements avancés de dépollution électrolytique des eaux et effluents industriels

L’industrialisation intense engendre des effluents de plus en plus concentrés et complexes qui échappent aux traitements classiques des eaux usées résiduaires (EUR). Dans l’optique d’un développement durable et de réglementations environnementales plus contraignantes, il devient urgent de soumettre les EUR à des traitements plus poussés pour mieux protéger l’environnement.

Le présent programme de recherche a pour objectif général le développement de technologies avancées ultra-oxydantes combinant les électrotechnologies et les procédés catalytiques pour l’élimination efficace des polluants organiques persistants (POP) jusqu’à leur minéralisation.

La génération in situ d’espèces oxygénées réactives et l’utilisation d’électrodes catalytiques offrant la plus grande surface effective possible constituent les deux éléments clés pour oxyder plus efficacement ces POP, et ce, sans ajout de produits chimiques. Plus spécifiquement, les activités de recherche peuvent être scindées en quatre volets.

Le premier porte sur l’élaboration de nouvelles électrodes nanostructurées de carbone et sur leur utilisation dans les procédés d’électro-oxydation avancée pour la dégradation de la fraction DCO (demande chimique en oxygène) réfractaire des EUR.

Le deuxième volet consiste à développer de nouveaux procédés électro-photo-catalytiques hautement efficaces pour décontaminer les eaux industrielles des POP.

Le troisième volet comprend des travaux sur le couplage des ultrasons aux procédés électrochimiques pour le traitement des EUR.

Finalement, le dernier volet vise à accroître la capacité de dégradation des POP en mettant en synergie l’électrotechnologie et les biotraitements à membrane pour le traitement des EUR.

Financement : CRSNG – Subvention à la découverte

Projets de recherche terminés

Évaluation de la performance à l’échelle préindustrielle du procédé d’electro-oxydation avancée pour le traitement des eaux résiduaires issues d’un centre de transfert et de décharge de déchets dangereux

L’objectif de ce projet de R et D est de développer un procédé électrolytique de traitement avancé des eaux résiduaires issues de centres de transfert et de décharge de déchets dangereux. L’étude comporte trois volets.

Le premier consiste à caractériser les effluents issus du centre de transfert et de décharge de déchets dangereux (CTDD) afin d’identifier les différents contaminants (notamment de type organique) et leur teneur initiale. Cette activité est indispensable afin de déterminer les électrodes appropriées dont l’efficacité d’oxydation est fonction du type de polluants dans les effluents résiduaires.

Le deuxième volet des travaux consiste à identifier les électrodes les plus aptes à la production d’espèces oxygénées réactives par une étude voltampérométrique.

Le troisième volet consiste à concevoir, tester et optimiser l’unité expérimentale d’électro-oxydation avancée pour le traitement de ces eaux résiduaires issues du CTDD.

L’optimisation d’un tel procédé électrolytique sera effectuée grâce à une stratégie expérimentale basée sur une étude quantitative des facteurs.

Financement : CRI Environnement

Développement d’un procédé électrolytique de désinfection et de traitement des eaux récréatives sans ajouts de produits chimiques

En 2009, le Québec comptait 190 000 piscines hors terre et 93 000 piscines creusées et ce nombre n’a cessé d’augmenter. La désinfection chimique des eaux nécessitant l’ajout de divers produits chimiques, même si elle diminue les germes pathogènes, se traduit souvent par une augmentation de la salinité ou encore par un transfert de polluants (formation de sous produits toxiques).

L’utilisation de certains oxydants classiques tels que le chlore peut conduire en présence de matière organique à la formation de composés organochlorés stables connus comme cancérigènes. Des alternatives à la chloration ont été proposées comme l’utilisation de l’ozone.

Le pouvoir antiseptique de l’ozone est très élevé, mais le prix de revient des systèmes d’ozonation classiques est 100 fois supérieur à celui du chlore. Les recherches actuelles sont désormais orientées vers des procédés propres, écologiques, efficaces, moins coûteux et sans ajouts de produits chimiques.

C’est donc dans ce contexte que la compagnie Terralpha aménagement environnemental inc. a fait appel à notre expertise sur les procédés innovants d’oxydation avancée et de désinfection électrochimique des eaux. Le but de ce projet est de démontrer la faisabilité d’un procédé de traitement et de désinfection électrolytique des eaux récréatives en utilisant des électrodes catalytiques capables de générer in situ des oxydants propres qui sont des dérivés de l’oxygène (espèces oxygénées réactives, EORs).

Un tel procédé électrolytique permettrait de surmonter de nombreux inconvénients (transport, stockage et manutention de réactifs et apparition de sous-produits toxiques) souvent rencontrés dans les procédés chimiques de traitement des eaux. Les EORs sont des produits inoffensifs ayant un effet rémanent appréciable.

Financement : CRSNG – Subvention d’engagement partenarial

Mise au point d’une unité de traitement électrolytique à intégrer dans une filière d’épuration des eaux usées résiduaires pour la clarification et déphosphatation

La compagnie Uteau inc exploite actuellement une filière d’épuration des eaux résiduaires avec traitement biologique par étangs aérés et MBBR (Moving Bed Bioreactor) suivi d’un traitement physicochimique par coagulation chimique classique.

Elle traite en moyenne 100 m³ par jour d’eaux usées résiduaires de type fosse septique (EUR-FS). Ces eaux sont particulièrement chargées en matière en suspension (MES) et en phosphore (concentrations allant jusqu’à 800 mg MES /L et 28 mg P_tot/L, respectivement). Les doses relativement élevées de sulfate ferrique (Fe₂(SO₄)₃) employé en fin de traitement contribuent à l’acidification du milieu et induisent une augmentation de volume de boues générées. En outre, les objectifs environnementaux de rejets de tels effluents ne sont pas toujours respectés, notamment en ce qui concerne les MES et P_tot.

La compagnie Uteau inc. souhaite améliorer sa filière d’épuration des EUR-FS en intégrant une unité de traitement efficace, écologique et sans ajouts de produits chimiques ou en utilisant le minimum de produits chimiques. C’est dans ce contexte que la compagnie Uteau inc. a fait appel à notre expertise sur les procédés électrochimiques des eaux sans ajouts de produits chimiques.

Nous proposons dans le cadre de cette étude de coupler un procédé d’électrocoagulation-floculation (ECF) avec le procédé MBBR pour soumettre les eaux résiduaires à un traitement plus poussé de manière à respecter les objectifs environnementaux de rejets (MES < 25 mg/L; P_tot < 1; DBO₅ < 25 mg/L; NH₄ < 25 mg/L).

L’intérêt d’une telle technique électrolytique réside dans son aspect non polluant et sa facilité d’automatisation. Elle constitue également l’une des méthodes de traitement visant à réduire l’emploi des réactifs chimiques qui conduisent très souvent à une augmentation de la salinité de l’effluent traité ou à une augmentation du volume de boues générées.

En somme, les activités de recherche proposées permettront la mise au point d’un système de traitement couplé (MBBR et ECF). Elles visent principalement à optimiser son mode de fonctionnement, en utilisant l’ECF en amont comme prétraitement de dégrossissage et/ou en aval comme traitement de polissage ou de finition des EUR-FS.

Financement : CRSNG – Subvention d’engagement partenarial

Développement d’une technologie innovante de production de biohydrogène et de molécules plateformes par électrosynthèse microbienne (ESM)

Ce projet de recherche a quatre objectifs principaux (fondamentaux et appliqués).

Le premier est d’identifier des électrodes à faible surtension en H₂ et d’optimiser leur capacité de dégagement d’hydrogène dans une cellule d’ESM.

Le second objectif consiste à identifier des souches microbiennes (biocatalyseurs anodique et cathodique) à fort potentiel de génération de bioproduits et molécules plateformes (ex. butanol et propanediol) à partir de divers types de rejets agro-industriels.

Le troisième objectif est de mettre en synergie les techniques biochimique/biologique et les propriétés électrochimiques des électrodes identifiées pour accroître la capacité de génération de Bio-H₂ et de production simultanée de produits à haute valeur ajoutée (PHVA) et à fort potentiel commercial. Les mécanismes d’interaction entre les microorganismes et les charges électriques seront étudiés, en plus de développer des modèles mathématiques prédictifs d’optimisation des conditions opératoires pour la production des PHVA et Bio-H₂.

Le quatrième objectif est d’effectuer une étude comparative (en termes de coût et d’efficacité) du procédé d’ESM versus les procédés conventionnels de fermentation traditionnelle ou versus des procédés biologiques utilisant des accepteurs d’électrons conventionnels.

La réalisation des objectifs de ce projet se fera grâce à la conjugaison des compétences complémentaires de quatre équipes de recherche (trois équipes INRS et une équipe CRIQ) et d’une infrastructure de R et D (en électrotechnologie et biotechnologie/bioproduits) à la fine pointe déjà opérationnelle; deux ingrédients indispensables à la réalisation des objectifs du projet dans les délais impartis.

Financement : FRQNT – Projet de recherche en équipe

Développement et adaptation d’électrotechnologies pour le marché chinois des entreprises de traitement des eaux usées

La compagnie chinoise Chemarea Water Technologies est intéressée d’obtenir des services-conseils pour le développement et l’adaptation des électrotechnologies de l’INRS pour le marché environnemental chinois. Deux procédés électrochimiques (électrocoagulation (EC) et électro-oxydation (EO)) sont considérés selon le type d’eaux usées soumises au traitement et en fonction des directives de Shanghaï ou de la Chine pour la décharge d’effluents dans le réseau urbain ou dans les milieux récepteurs.

La technologie EC est un procédé capable d’enlever simultanément des eaux usées plusieurs polluants (organique, inorganique et microorganismes) sous la forme de composés solubles ou insolubles en produisant in situ des floculations d’hydroxyde obtenues par la dissolution anodique d’électrodes solubles (électrodes d’aluminium ou d’acier doux). Ce type de procédé peut être utilisé pour la clarification (colloïdes, microorganismes et solides en suspension) ou pour retirer les composés inorganiques (ex. phosphate, métaux, etc.) et organiques (pétrole, graisse, DBO, COD, etc.). L’intérêt de la technologie OE repose sur sa capacité de réagir avec les polluants en utilisant l’effet direct et indirect du courant électrique. L’oxydation anodique directe, dans laquelle les composés organiques peuvent être détruits sur la surface de l’électrode et l’oxydation indirecte dans laquelle un médiateur (HClO, HBrO, H₂O₂, H₂S₂O₈, et d’autres) est généré électrochimiquement pour effectuer l’oxydation.

Financement : Chemarea Water Technologies

Traitement des lixiviats de site d’enfouissement par couplage d’un procédé de biofiltration sur support organique (BIOSOR) et d’un procédé d’électrocoagulation

L’objectif général de ce projet est de développer une méthode de traitement couplé, combinant un procédé d’électrocoagulation (EC) et de biofiltration (BF) et d’optimiser son mode de fonctionnement pour le traitement de lixiviat de site d’enfouissement, en utilisant l’EC en aval comme traitement de polissage ou en amont comme prétraitement au procédé de BF.

Ces travaux devraient permettre de répondre aux incertitudes technologiques soulevées par ce couplage en se basant sur des procédés de biofiltration (BIOSOR) et d’électrocoagulation (ECOTHOR) respectivement développés par le CRIQ et la compagnie E2Metrix. Ce travail se fera grâce aux prototypes laboratoires de ces deux technologies qui seront mis à notre disposition afin de servir de point de départ à ce projet.

Ce projet permettra de proposer une stratégie de couplage et d’intégration la plus appropriée des technologies (utilisation du procédé ECOTHOR en aval ou en amont du procédé BIOSOR) pour offrir la meilleure performance épuratoire.

Financement : Bourse MITACS (Industrie Canada – FRQNT – E2Metrix)

Mise au point d’une technologie électrolytique ultra-oxydante pour le traitement tertiaire des eaux usées d’abattoir

L’objectif général de ce projet est de développer une méthode de traitement électrolytique d’oxydation avancée (EOA) et d’optimiser son mode de fonctionnement pour le traitement des eaux usées résiduaires d’abattoir, en utilisant l’EOA en aval comme traitement de polissage (ou traitement tertiaire) au procédé secondaire de coagulation électrochimique développé par la compagnie PLT Environnement inc.

Ces travaux devraient permettre de répondre aux objectifs environnementaux de rejets pour ce type d’effluent. La génération in situ d’espèces oxygénées réactives (EORs : OH°, H₂O₂, O₃, etc.) et l’utilisation d’électrodes catalytiques offrant la plus grande surface effective possible constituent les deux éléments clés pour oxyder plus efficacement ces polluants résiduels des effluents d’abattoir, soit directement sur la surface des électrodes ou indirectement en solution par les EORs.

Financement : Bourse MITACS (Industrie Canada – FRQNT – PLT Environnement)

Élaboration de photoanodes nanostructurées pour le développement de procédés électro-photo-catalytiques destinés au traitement des eaux industrielles

Les nanomatériaux présentent souvent des propriétés surprenantes et fort attrayantes par rapport à leurs vis-à-vis macroscopiques. Ce projet de R et D vise à tirer profit des propriétés uniques des films d’oxyde de titane nanostructuré (n-TiO₂) pour développer des photoanodes hautement performantes pour la décontamination des eaux industrielles polluées par des produits organiques persistants.

Les eaux industrielles ne peuvent plus être simplement jetées ou décontaminées par des méthodes utilisant des produits chimiques, qui deviennent à leur tour nuisibles à l’environnement. Dans le cadre de ce projet, nous allons développer de nouveaux procédés électro-photo-catalytiques (EPC) efficaces pour décontaminer les eaux industrielles.

L’efficacité des procédés EPC, basés sur les principes d’oxydoréduction, est rehaussée par les effets photo-catalytiques à l’anode. Il est ainsi crucial de développer et d’optimiser le comportement EPC des photoanodes de n-TiO₂ non seulement en contrôlant la taille et la structure cristalline des nanograins de TiO₂ qui les forment, mais en taillant sur mesure leurs propriétés d’absorption de la lumière pour les rendre photoactives au soleil.

L’objectif ultime de ce projet est de produire un réacteur EPC permettant de décontaminer des eaux polluées en utilisant des photoanodes de n-TiO₂ et le rayonnement solaire. En collaboration avec Magnus, la performance du procédé EPC sera évaluée en mode continu et son efficacité épuratoire sera comparée avec celle de la photocatalyse conventionnelle.

Financement : CRSNG – Subvention de recherche et développement coopérative, Produits chimiques Magnus, NanoQuébec

Collaborateur : My Ali El Khakani, INRS

Conception et vulgarisation d’un prototype portatif et mobile de traitement d’eau de consommation pour une utilisation en milieu rural

L’objectif principal du présent projet est de tirer profit des expertises complémentaires de deux équipes de recherche (ivoirienne et canadienne) pour relever des défis scientifiques et technologiques dans le domaine névralgique de la dépollution de l’eau en milieu rural.

Cette synergie de compétence multidisciplinaire devrait permettre de renforcer le savoir-faire et d’élargir les connaissances nécessaires au développement de procédés innovants, multitâches et efficaces pour le traitement de l’eau en utilisant des résidus agricoles (ex. coques de noix, fibres végétales, etc.) susceptibles de conduire à des matériaux filtrants de haute qualité.

De façon plus spécifique, ce projet de recherche vise les trois objectifs suivants :

• Le premier est de développer de nouveaux matériaux bioadsorbants à base de la biomasse locale (résidus agricoles) et d’optimiser leur capacité d’adsorption en fonction de leurs conditions d’élaboration.
• Le second objectif est d’intégrer ces nouveaux matériaux bioadsorbants dans des unités compactes portatives et à large spectre de dépollution des eaux de rivière ou de toute autre source de manière à les rendre potables pour une consommation humaine sans danger. Ce prototype mobile pourra être utilisé à l’échelle communautaire ou individuelle en milieu rural.
• Le troisième objectif est de développer des modèles mathématiques prédictifs basés sur la méthodologie du plan d’expérience et de surface de réponse pour l’optimisation des conditions opératoires lors de la filtration de l’eau utilisant ces bioadsorbants.

Financement : AUC – Subvention pour la coopération en recherche entre le Canada et l’Afrique