identifier: Maram Qartavol, Reza  (2016). Génération et traitement du signal optique basés sur le filtrage linéaire de phase-seule dans les domaines temporel et spectral.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en télécommunications, 242 p.

subject:
consommation d’énergie
signal optique
modulation électro-optique
filtrage linéaire

abstract:
Les exigences sans cesse croissantes du trafic de données dans les services de télécommunication conduisent à un besoin continu de capacités de réseau plus élevés. Dans ce scénario, le débit binaire dans un canal de longueur d’onde ainsi que le nombre de canaux ne cessent d’augmenter dans les réseaux de télécommunication grâce aux progrès des technologies de transmission optiques. Aujourd’hui, les systèmes de multiplexage en longueur d’onde (WDM pour wavelength division multiplexing en anglais) supportent des capacités de transmission d’environ 14 Tbit/s, des milliers de fois plus élevé que la capacité de toute autre liaison de transmission (par exemple ondes radio et téléphonie), ce débit est réalisé par le multiplexage de plusieurs centaines de longueurs d’onde avec un débit binaire de ~ 40 Gbit /s par canal. Cependant, le signal lumineux porteur d’information doit être converti à un signal électronique compatible avec les routeurs/commutateurs dans les réseaux de télécommunication. Dans cette conversion, le débit d’information est considérablement ralenti en raison du déséquilibre de bande passante entre la transmission optique et les routeurs électroniques. Le traitement du signal optique est une solution alternative potentielle très prometteuse aux problèmes liés à l’électronique. Récemment, un effort considérable a été investi dans le développement des méthodes optiques ultrarapides de traitement du signal pour les applications dans les réseaux de fibre optique, les plateformes de traitement de l’information et d’informatique optique à haute vitesse. Cependant, en pratique, la vitesse de traitement est seulement une des plusieurs questions importantes à prendre en considération lors du déploiement de nouvelles technologies de traitement. L’une des principales raisons pour lesquelles le traitement électronique du signal est préféré actuellement sur d’autres alternatives, en particulier sur le traitement du signal optique, est que les appareils électroniques consomment relativement moins d’énergie. Contrairement à l’électronique, la plupart des processeurs optiques proposés à ce jour, typiquement basés sur des effets "non linéaires", nécessiteraient une consommation d’énergie peu pratique, plus élevée de plusieurs ordres de grandeur que celle des processeurs électroniques lorsqu’ils sont utilisés dans des situations réelles et à pleine échelle. En effet, la performance énergétique médiocre des méthodes de traitement du signal optique entrave considérablement leur capacité à offrir une solution pratique et compétitive pour le traitement du signal Afin de maintenir une pénétration accrue de l’optique dans les futurs systèmes de traitement et aider à réaliser la transition de technologie de l’électronique à l’optique dans les plateformes de traitement de l’information et de calcul, des processeurs optiques écoénergétiques innovants doivent être conçus et développés pour effectuer les tâches nécessaires, idéalement avec une perte minimale de l’énergie du signal d’entrée et une utilisation réduite de l’alimentation externe supplémentaire. Dans cet objectif, il faut étudier la possibilité d’utiliser des techniques linéaires purement passives pour le traitement du signal optique, en évitant l’utilisation de mécanismes actifs et /ou non linéaires conventionnels dans les dispositifs de traitement du signal. Ces mécanismes nécessitent une alimentation externe suffisamment élevée et/ou consomment/dissipent une partie importante de l’énergie du signal entrant. En revanche, le traitement du signal basé uniquement sur des composants optiques linéaires passifs, offre la possibilité de mettre en oeuvre des circuits de traitement qui permettent fondamentalement une consommation nulle de l’énergie du signal tout en évitant l’utilisation d’une source supplémentaire de lumière.
Dans cette thèse, je considère l’utilisation des procédés purement linéaires pour manipuler les profils temporel et spectrale du signal sous test, à savoir la modulation temporelle linéaire et le filtrage spectral linéaire, respectivement. La manipulation désirée peut être produite sur le profil amplitude du signal sous test par modulation temporelle d’intensité ou filtrage spectral d’amplitude. Si aucun gain supplémentaire n’est utilisé dans le système ciblé (régime passive), la modulation d’intensité ou le filtrage d’amplitude produit nécessairement une perte d’une partie de l’énergie du signal d’entrée. En fonction de la fonctionnalité ciblée, les pertes de modulation/filtrage peuvent être considérables. En revanche, l’énergie du signal peut être entièrement préservée si seule la phase du signal est manipulée dans le domaine temporel, c.-à-d. par filtrage spectrale de phase.
Dans l’ensemble, les nouveaux systèmes de traitement optique des signaux proposés dans ma thèse sont basés sur une combinaison appropriée de la modulation temporelle linéaire de phase-seule et les processus de filtrage spectral, conduisant à la mise en oeuvre de la fonctionnalité souhaitée avec un rendement énergétique optimisé. Ce résultat est obtenu sans compromis sur les avantages de traitement du signal intrinsèque à l’optique. Dans les processeurs proposés dans cette thèse, l’énergie du signal entrant est efficacement redistribuée pour construire le signal de sortie ciblé sans l’utilisation d’aucune puissance optique externe supplémentaire. J’utilise cette approche pour la mise en oeuvre d’une série d’importantes fonctionnalités de traitement du signal. En particulier, dans le chapitre 2, nous utilisons la combinaison des effets Talbot temporel et spectral, impliquant la modulation de phase temporelle et le filtrage de phase spectrale, pour contrôler et programmer le taux de répétition et l’énergie par impulsion associée d’une source laser impulsionnelle à faible taux de répétition d’impulsions. Dans le chapitre 3, nous démontrons une nouvelle approche tout-optique efficace énergétiquement pour la conversion de format de données de télécommunication optique: retour-à-zéro (RZ) au non-retour-à-zéro (NRZ). Cette approche a été mise en oeuvre expérimentalement avec un débit binaire de 640 Gbit/s. Nous démontrons également d’autres nouvelles approches de récupération des signaux d’horloge de base et sous-harmonique à partir de signaux de données de type tout-ou-rien (OOK pour on-off-keying en anglais). Ce travail de recherche peut ouvrir de nouvelles perspectives importantes pour la mise en oeuvre d’autres processeurs optiques critiques avec une efficacité énergétique sans précédent, dépassant les limites de consommation d’énergie des technologies optiques actuelles sans perdre leur avantage en matière de vitesse de traitement.

The ever-increasing data traffic requirements in telecommunication services lead to a continuous need for higher network capabilities. In this scenario, the bit rate of one wavelength channel and the number of channels keep increasing in telecommunication networks thanks to the advancement of optical transmission technologies. Nowadays, wavelength division multiplexing (WDM) systems support transmission capabilities of about 14 Tbit/s, through multiplexing of several hundred wavelengths with a single channel bit rate of ∼ 40 Gbit/s, thousands of times higher than any other transmission link (e.g. direct radio and telephone links) capacity. However, light information has to be converted to electrons when accessed by electronic routers/switches in the telecommunication networks. In that conversion, information is significantly slowed down due to the bandwidth imbalance between the optical transmissions and electronic routers. Optical signal processing is a very promising potential alternative solution to the problems associated with electronics. Recently, there has been a significant effort toward the realization of ultrafast optical signal processing methods for applications in next-generation fiber-optic networks and high-speed information processing and optical computing platforms. However, in practice, processing speed is only one of the several important issues to be considered when deploying new processing technology. One of the main reasons why electronic signal processing is preferred presently over other alternatives, particularly over optical signal processing, is that electronic devices consume a relatively smaller amount of energy. Unlike electronics, most optical processors proposed to date, typically realized using “nonlinear” effects, would require unpractical power consumption, orders-of-magnitude higher than that of their electronic counterparts, when used at a real-world scale. Indeed, the poor energy performance of optical signal processing methods greatly hinders their capability to offer a practical, competitive solution for signal processing.
In order to keep optics penetration deeper into future processing systems and help to realize the technology shift from electronics to optics in information processing and computing platforms, innovative energy-efficient optical signal processors should be designed and developed to perform the needed tasks ideally with minimal loss of the input signal’s energy and reducing the use of supplementary external power. To this end, one needs to explore the possibility of using purely passive and linear techniques for optical signal processing, avoiding the use of conventional active and/or nonlinear mechanisms in the signal-processing engines. These mechanisms require a sufficiently high external power and/or consume/dissipate significant energy from the incoming signal. In sharp contrast, signal processing based on only linear, passive optical components offers the possibility of implementing processing circuits that fundamentally enable no signal power consumption while avoiding the use of any additional optical light source.
In this Thesis, I consider the use of purely linear processes to manipulate the temporal and spectral profiles of a signal under test, namely linear temporal modulation and linear spectral filtering, respectively. The desired manipulation can be produced on the amplitude profile of the signal under test through temporal intensity modulation or amplitude spectral filtering. If no additional active gain is employed in the target system (passive scheme), intensity modulation or amplitude filtering necessarily wastes some of the input signal’s energy. Depending on the target functionality, modulation/filtering losses can be considerable. In sharp contrast, the signal energy can be fully preserved if only the signal phase is manipulated in the time domain, i.e., by temporal phase modulation, and/or in the frequency domain, i.e., by spectral phase filtering.
Generally, the novel optical signal-processing schemes proposed in my Thesis are based on a suitable combination of phase-only linear temporal modulation and spectral filtering processes, leading to the implementation of the desired functionality with an optimized energy performance. This is achieved without trading the signal processing advantage intrinsic to optics. In my newly proposed processors, the incoming signal’s energy is effectively redistributed to build up the target output signal without using any additional external optical power. I am using this approach for implementation of a range of important signal processing functionalities. In particular, in Chapter 2, we use the combination of the temporal and spectral Talbot effect, involving temporal phase modulation and spectral phase filtering, to control and program the repetition-rate and associated energy per pulse of a low-rate laser source. In Chapter 3, we demonstrate a novel energy-efficient approach for all optical return-to-zero (RZ)-to-non-RZ (NRZ) telecommunication data format conversion, experimentally implemented at a bit rate of 640 Gbit/s, and novel approaches for base-rate and sub-harmonic clock recovery of on-off-keying (OOK) data signals. This research may open new, important perspectives for implementing other critical optical signal processors with unprecedented energy efficiency, overcoming the energy-consumption limitations of present optical technologies without trading their processing speed advantage.


identifier: Mathlouthi, Yosra  (2016). Estimation directe et conjointe du flot de scène et de la profondeur à partir d'une séquence monoculaire d'images.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en télécommunications, 162 p.

type:
Thèse
Non évalué par les pairs

subject:
image derivatives
motion scene flow
monocular sequence
dense scene flow
flot de scène dense
profondeur relative
séquence d'images monoculaire
estimation

abstract:
Dans cette thèse, on étudie l'estimation conjointe du flot de scène dense et de la
profondeur relative à partir d'une séquence d'images monoculaire. On commence par développer un schéma de base qui permet de poser le problème sous une forme variationnelle par une fonctionnelle composée de deux termes : un terme de conformité aux données spatiotemporelles de la séquence d'images et un terme de régularisation. Le terme de données relie la vitesse tridimensionnelle (3D) et la profondeur en termes de variations spatiotemporelles visuelles. Ce terme s'obtient en remplaçant les coordonnées du vecteur de vitesse optique dans la contrainte du gradient du flot optique de Horn et Schunck par leur expressions en termes du flot de scène et de la profondeur. Sous cette forme, l'énoncé de notre problème est analogue à l'estimation classique du
flot optique proposée par Horn et Schunck, quoiqu'elle implique ici le flot de scène et la profondeur au lieu du mouvement de l'image. En premier lieu, on utilise un terme de régularisation L² qui assure une solution lisse partout dans l'image. La discrétisation des équations d'Euler-Lagrange correspondantes
à notre fonctionnelle forme un système creux à grande échelle d'équations
linéaires. On écrit explicitement ce système et on ordonne ses équations de façon que sa matrice soit symétrique positive définie. Ceci  implique que les itérations de Gauss-Seidel convergent point par point ou bloc par bloc, et offre un moyen très efficace pour résoudre les équations d'Euler-Lagrange. En second lieu, une amélioration de la méthode étudiée est proposée par une
version qui préserve les frontières du mouvement et des objets dans la scène. Le
terme de régularisation L¹ permet le lissage de la solution à l'intérieur des zones uniformes et l'inhibe sur les frontières de mouvement et de profondeur. La discrétisation des équations d'Euler-Lagrange correspondantes à la fonctionnelle de régularisation du type L¹ donne un grand système creux d'équations non-linéaires que l'on peut résoudre en alternant des approximations linéaires avec les itérations de Gauss-Seidel. On considère aussi le problème inverse mal posé du calcul des dérivées spatiotemporelles qui sont nécessaires pour notre problème de flot de scène. On aborde ce calcul par une approche variationnelle, où la fonctionnelle objectif qu'on propose traite l'approximation d'une dérivée de l'image par la minimisation de la somme de deux termes : un terme d'adéquation de l'intégrale des dérivées à l'image et un terme de régularisation. Le terme de données utilise un opérateur d'anti-différentiation ce qui contraint la fonction recherchée à approximer les dérivées de l'image. Le terme de
régularisation L² contraint la dérivée à être lisse sur tout le domaine de l'image. La discrétisation des équations d'Euler-Lagrange développées pour la minimisation de la fonctionnelle objectif donne lieu à un grand système creux d'équations linéaires que l'on peut résoudre par la méthode de Gauss-Seidel.
Le problème de calcul des dérivées spatio-temporelles est aussi amélioré par une version qui préserve les frontières des objets dans l'image en utilisant une fonction de régularisation L¹. Cette amélioration définit les dérivées de l'image comme des fonctions qui, lorsqu'elles sont intégrées, redonnent l'image à une constante additive près, et qui sont lisses partout sur le domaine de l'image sauf sur les frontières des objets dans l'image. Un grand système creux d'équations non-linéaires découle de la discrétisation des équations d'Euler-Lagrange correspondantes à la fonctionnelle du problème de calcul des dérivées spatio-temporelles amélioré. Ce système est résolu par approximations linéaires successives avec la méthode de Gauss-Seidel. Nous présentons les résultats qualitatifs et quantitatifs de plusieurs tests, avec des images synthétiques et réelles, qui montrent la validité et l'efficacité des méthodes proposées.


identifier: Nguyen, Dai  (2016). La gestion des ressources radio dans les systèmes satellitaires.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en télécommunications, 83 p.

subject: ressources radio

subject: systèmes satellitaires

subject: interférences

subject: allocation des ressources radio

subject: communications satellitaires

subject: erreur quadratique moyenne pondérée avancée

subject: MISO satellites à faisceaux multiples

abstract:
Due to the constantly growing satellite traffic, more and more satellites have been
launched into the orbit. This leads to rising congestion on both the earth orbit
and radio spectrum, which results in increasing radio-frequency interference (RFI)
in the satellites communications. Moreover, spectrum reuse for communications in
different beams of multibeam satellites, which generates co-channel interference, can
result in degradation of communication reliability and performance if the interference
is not managed appropriately. To tackle the interference mitigation and better
exploit satellite radio resources, we have proposed some advanced resource allocation
techniques for satellite communications. Specifically, we have developed radio
resource management frameworks in two satellite communications settings, namely
the single satellite system and the co-existing dual satellite system.
For the single multi-beam satellite system, we have studied the joint beamforming,
carrier allocation, and user scheduling problem which aims to maximize the system
sum rate and sum utility. To tackle the two underlying problems, two corresponding
iterative resource allocation algorithms have been developed. In both algorithms, the
advanced weighted minimum mean square error (WMMSE) beamforming scheme has
been employed to determine the beamformers based on which carrier allocation and
user scheduling design can be addressed. Extensive numerical results have demonstrated
the efficiency and desirable performance of the proposed algorithms.
For the co-existing dual satellite system, a cognitive radio based reverse-link resource
allocation framework has been developed where the two satellites have been treated
as the primary and secondary satellites, respectively. The resource allocation design
for this setting involves the optimization of power allocation and users’ antenna
angles to maximize the average system sum rate considering maximum power and
interference protection constraints. To accomplish this design, we have derived the
optimal power allocation solution for given secondary users’ angles and derived the
optimal secondary users’ angles for a given power allocation solution. Then, we
have proposed an iterative resource allocation algorithm based on these derivations
to address the considered problem. Finally, we have carried out numerical studies
to investigate the performance of the proposed algorithm which have confirmed the
performance superiority of the proposed algorithm compared to other conventional
resource allocation approaches.


identifier: Tanguy, Marion  (2016). Développement d’une méthode de caractérisation et d’évaluation du risque humain lié aux inondations en milieu urbain.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 429 p.

subject:
inondation
imagerie radar satellitaire
vulnérabilité humaine
évaluation
risque humain
sécurité civile
population

abstract:
Les inondations sont les catastrophes naturelles les plus fréquentes dans le monde affectant le plus grand nombre d’individus chaque année. Si le nombre de décès liés à ces phénomènes a baissé de manière importante depuis les années 1980, l’inondation d’une zone habitée induit de manière presque systématique une détresse des populations et un besoin de soutien parfois important. Afin de pouvoir gérer au mieux ce type d’évènements, les services en charge de la sécurité civile doivent disposer d’outils leur permettant d’évaluer avec précision les niveaux de risque en cours pour la population. Une telle information permet en effet de localiser les individus ayant besoin d’assistance et ainsi de définir les actions à mener, et les ressources humaines et matérielles à engager. Or, les outils d’évaluation du risque humain lié à une inondation en cours présentent certaines insuffisances, pouvant limiter leur utilisation opérationnelle au cours de la phase d’intervention. L’objectif de cette recherche doctorale était ainsi de développer un outil d’évaluation et de cartographie du risque humain lié à une inondation, tant en milieu urbain que rural, pouvant être utilisé en soutien à la prise de décision lors de la phase d’intervention au cours d’une inondation.
Le premier volet s’intéressait au développement d’une méthode de caractérisation spatiale d’une inondation en cours, utilisant des données radar satellitaires et des données à caractère hydraulique, et permettant de déterminer l’étendue des zones inondées en milieu urbain et rural, ainsi que la hauteur d’eau en tout point de ces zones. La méthode originale proposée, combinant des données RSO en bande C et en polarisation HH et des données d’intervalles de récurrence d’inondation estimées en tout point de la zone d’étude, a été appliquée à deux images RADARSAT-2 en mode Ultra-Fin et en mode Fin, acquises durant l’inondation de la rivière Richelieu (Québec) au printemps 2011. Les précisions des classifications sont supérieures à celles obtenues dans des études aux objectifs similaires (Giustarini et al., 2013, Mason et al., 2012b), avec des taux de 86% (Ultra-Fin) et de 87% (Fin) de pixels correctement identifiés en zone urbaine, et de 96% (Ultra-Fin) et 97% (Fin) en zone rurale. L’intérêt d’utiliser de manière combinée des données RSO et des données d’intervalles de récurrence d’inondation, qui n’avaient jusque-là jamais été exploitées pour la détection des zones urbaines et rurales inondées, a ainsi été illustré. Une méthode estimant les hauteurs d’eau en zone inondée à partir des données d’élévation et de la carte des zones inondées de l’image RS-2 en mode Ultra-Fin a également été proposée et testée. Le RMSE des hauteurs d’eau estimées est de 8 cm et l’erreur moyenne n’est que de 5 cm lorsque comparées aux données de validation disponibles. Des tests sur des surfaces plus étendues, et pour lesquelles des données de validation des hauteurs d’eau recueillies au cours de l’inondation seraient disponibles, seront cependant nécessaires pour valider l’efficacité et la précision de cette méthode.
Le second volet de cette thèse consistait en le développement de méthodes d’évaluation puis de cartographie de la vulnérabilité et du risque humain face à une inondation en cours, à l’échelle du bâtiment. L’approche proposée associe trois composantes de la vulnérabilité, n’ayant jusqu’à présent jamais été combinées dans une telle étude, et dont l’intégration a été validée par des experts en sécurité civile. Il s’agit 1) de la vulnérabilité sociale et économique, 2) de la vulnérabilité induite par le manque de ressources essentielles et 3) de l’exposition de la population à l’échelle du bâtiment. Chacune de ces composantes a fait l’objet d’une méthode d’évaluation spécifique, intégrant des indicateurs de vulnérabilité identifiés avec l’aide d’experts. Les valeurs de hauteur d’eau générées dans le premier volet sont mises à profit dans ces méthodes. C’est là un des aspects innovants de ce second volet, puisque les approches orientées vers la phase d’intervention utilisent de manière presque systématique des données issues de la modélisation hydraulique. Les résultats de l’évaluation de chaque composante de la vulnérabilité sont exprimés à l’aide d’une échelle à 4 niveaux, à savoir « Faible, Sérieux, Sévère et Très Sévère », et sont cartographiés à l’échelle du bâtiment. Le niveau de risque humain lié à l’inondation en cours est défini au moyen du plus fort niveau de vulnérabilité de l’ensemble des composantes de la vulnérabilité humaine intégrées à la méthode, et est cartographié à l’échelle du bâtiment. Un intérêt particulier a été porté à la disponibilité des données requises par ces méthodes, pour permettre leur application au plus grand nombre de scénarios d’inondation possible.
Enfin, le dernier volet de la thèse consistait en la démonstration de la pertinence de la méthode d’évaluation et de cartographie du risque humain lié à une inondation en cours comme outil d’aide à la décision lors de la phase d’intervention, à l’aide d’un scénario d’inondation réel. Une zone à dominante résidentielle fortement touchée par l’inondation de la rivière Richelieu en 2011 a été choisie et l’ensemble des méthodes ont été appliquées. Afin de faciliter la génération de l’évaluation du risque humain, une suite de protocoles a été créée et l’outil d’aide à la décision a été automatisé. Une cartographie détaillée et aisément interprétable du niveau de risque à l’échelle du bâtiment a ainsi été obtenue et discutée. D’autres tests à l’aide d’autres scénarios d’inondation devront être faits pour valider les performances de cet outil d’aide à la décision et pour lui apporter les modifications qui pourraient s’imposer pour mieux répondre aux besoins des utilisateurs.


identifier: Gosselin, Jean-Sébastien  (2016). Estimation de la recharge à partir de séries temporelles de la température du sol, des niveaux d’eau dans les puits et de données météorologiques: développement méthodologique et évaluation de l’incertitude.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 216 p.

subject:
estimation de la recharge
traçage thermique
bilans hydrologiques combinés
eau souterraine. hydrogéologie

abstract:
De nombreuses méthodes existent pour estimer la recharge, basées sur une grande variété de mesures,
mais aucune n’est universelle, chacune ayant ses avantages et ses inconvénients. La recharge varie
dans le temps et l’espace sur plusieurs ordres de grandeur. De plus, elle est généralement déduite
de mesures indirectes avec des modèles qui reposent sur un ensemble d’hypothèses simplificatrices.
Pour ces raisons, une grande incertitude peut être associée à toute estimation de la recharge. C’est
pourquoi il est recommandé d’utiliser plusieurs méthodes afin d’accroître le niveau de confiance
des valeurs estimées. Ceci ne permet toutefois pas de réduire ni de quantifier l’incertitude sur la
recharge. De plus, cette solution n’est pas toujours possible, en raison par exemple de contraintes
financières ou des échéanciers des projets. Il y a donc un intérêt pratique et scientifique à améliorer
les méthodes d’estimation de la recharge qui sont simples d’application et basées sur des données
facilement disponibles. Dans cette optique, cette thèse de doctorat traite de deux de ces méthodes
en deux volets distincts.
Le premier volet présente une méthode d’estimation de la recharge utilisant des mesures de
températures du sol et basée sur l’inversion d’un modèle numérique du transport advectif et conductif
de la chaleur. Pour évaluer ses limites d’applicabilité, la méthode a été testée avec plusieurs séries
temporelles synthétiques de températures produites avec le simulateur SHAW (Simultaneous Heat
and Water model). Les résultats ont démontré qu’il est possible d’estimer la recharge avec une
incertitude de moins de 20% lorsque les taux annuels sont supérieurs à 200 mm/a. Toutefois, des
analyses de sensibilité ont montré qu’une erreur considérable pouvait être associée aux valeurs
estimées lorsque l’incertitude sur les paramètres du modèle inverse et sur les mesures de températures
était prise en compte. Ces travaux présentent les difficultés associées à l’estimation précise des taux
de recharge diffuse par traçage thermique et dressent un portrait des limites d’application et des
sources d’erreurs qui peuvent avoir un impact significatif sur la précision de la méthode. Ils suggèrent
que cette méthode n’est pas applicable dans la grande majorité des cas pour évaluer des taux de
recharge diffuse.
Le second volet de la thèse propose plusieurs développements méthodologiques et informatiques
pour l’application d’une méthode d’estimation de la recharge basée sur le calage d’un bilan hydrologique
de surface couplé à un bilan en eau d’un aquifère libre à des mesures de niveaux d’eau
dans un puits. Un logiciel a été développé pour l’application de la méthode, incluant un algorithme
permettant d’estimer et de combler automatiquement les valeurs manquantes dans les séries de
données météorologiques quotidiennes qui sont requises par la méthode. Afin d’améliorer la méthode
et évaluer l’incertitude, une méthode d’optimisation a été incluse dans le logiciel. Les résultats
obtenus suite à l’application de la méthode couplée à un site d’étude confirment qu’elle permet
de réduire l’incertitude sur les valeurs de recharge estimées par rapport à l’utilisation des deux
méthodes de bilan prises individuellement en contraignant les valeurs des paramètres hydrologiques.

 Numerous methods exist to estimate recharge, based on a wide variety of measurements, but none is
universal, each having advantages and drawbacks. Recharge can vary in time and space over several
orders of magnitude and is generally inferred from indirect measurements with models based on a
set of simplifying assumptions. For these reasons, a large uncertainty may be associated with any
recharge estimate. Therefore, it is recommended to use multiple methods to increase the confidence
level of the estimates. This, however, does not allow the reduction or the quantification of the
uncertainty. Moreover, this solution is not always possible due to financial constraints, project
deadlines, and data availability. There is thus a practical and scientific interest in improving recharge
assessment methods that are simple to apply and based on readily available data. In this context,
this thesis tackles two of these methods in two distinct parts.
The first part presents a method based on the inversion of a numerical model of advective and
conductive heat transport to infer recharge from soil temperature measurements. To assess its
application limits, the method was tested with several synthetic time series of soil temperatures that
were produced with the simulator SHAW (Simultaneous Heat and Water model). Results show that
this method can assess recharge with an uncertainty lower than 20% when annual recharge rates are
over 200mm/y. However, sensitivity analyses show that the inaccuracy can become very important
when the uncertainty of the inverse model parameters and temperature measurements are taken
into account. This work highlights the difficulties associated with the accurate assessment of diffuse
recharge rates from temperature measurements and better defines the application limits and various
sources of errors of the approach. The results suggest that this method is not applicable in most
cases to evaluate diffuse recharge rates under real field conditions.
The second part offers several methodological and software developments for the application
of a recharge assessment technique based on the calibration of a soil moisture balance coupled
with an unconfined aquifer water budget to an observed well hydrograph. A computer software
was developed for the application of the method, which includes an algorithm for estimating and
automatically filling the gaps in daily weather datasets that are required by the method. In order
to improve the method and evaluate the uncertainty, a global optimization method was included
in the software. Application of this coupled method to a study area confirms that it reduces the
uncertainty of recharge estimates compared to the use of both methods taken individually by better
constraining the range of plausible values of the hydrological parameters.


identifier: Ouali, Dhouha  (2016). Aspects non standards en analyse fréquentielle régionale des variables hydrologiques.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 243 p.

subject:
hydrologie
approches statistiques
crues
analyse fréquentielle régionale
AFR

abstract:
La protection et la gestion des ressources en eau reposent dans une large mesure sur la maitrise et
la compréhension des phénomènes hydrologiques extrêmes et la capacité à estimer adéquatement
les risques hydrologiques que ce soit dans les conditions actuelles ou futures. Dans ce cadre, les
outils statistiques trouvent une large application, allant des méthodes linéaires simples pour
déterminer l'incertitude d'une moyenne hydrologique à des techniques sophistiquées non linéaires
qui révèlent la dynamique et la complexité des évènements hydrologiques extrêmes. Dans le cas
de l’analyse fréquentielle (AF), le but est de prédire adéquatement la fréquence de l’occurrence de
ces évènements dans un site jaugé. Toutefois, il arrive souvent qu’on se trouve amené à produire
des estimations dans des sites non jaugés. Dans de telles circonstances, les hydrologues et les
praticiens font appel à des procédures de régionalisation ou ce qu’on appelle également une
Analyse Fréquentielle Régionale (AFR).
L’AFR consiste à estimer les quantiles (de dépassement et/ou de non-dépassement) des évènements
extrêmes (les crues et/ou les étiages) dans un site cible non jaugé à partir des données émanant des
sites jaugés. Pour une meilleure estimation, ces derniers doivent être hydrologiquement similaires
au site cible. Ainsi, l’AFR comporte deux étapes, la délimitation des régions hydrologiquement
homogènes (DRH) en utilisant des méthodes de classification, et l’estimation régionale (ER) pour
transférer l’information au site cible non jaugé, en se basant sur des méthodes de régression.
Malgré l’existence dans la littérature de diverses approches en AF locale et régionale, ces
approches présentent des contraintes et limitations. En réalité, différentes conditions non standards
telles que la complexité topographique des bassins versants, le manque et/ou la non-disponibilité
des données de débits, les perturbations par les aménagements urbains et/ou les changements climatiques peuvent influencer la réponse hydrologique des bassins versants. De telles conditions
rendent la prédétermination des crues par les méthodes classiques d’AF et AFR un exercice
difficile, non efficace et mal adapté à de tels contextes non standards.
L'objectif de cette étude consiste à proposer de nouvelles approches et de nouveaux modèles en AF
locale et régionale des crues. Ces approches et modèles visent à contourner les limites de ceux
utilisés dans la littérature et à considérer des aspects non standards en AF. En AFR, l’accent est
mis sur le problème de la non-linéarité dans l’étape de la DRH et le problème de la mauvaise
exploitation des données disponibles dans l’étape de l’estimation. D’autre part, en AF locale
l’accent est mis sur le problème de la non-stationnarité et l’inclusion de plus d’information dans le
modèle. Ces nouveaux modèles sont basés sur des outils statistiques en plein essor dans la
littérature statistique au cours des dernières années, y compris des outils de régionalisation non
linéaire et des outils de régression récents.
Précisément, on s’intéresse dans une première partie à intégrer la notion de la non-linéarité en AFR
dans l’étape de la DRH. La méthode adoptée est l'analyse canonique des corrélations non linéaire
(ACCNL), présentée dans le Chapitre 2 de ce manuscrit. Elle permet de considérer la complexité
du processus hydrologique en considérant une variante non linéaire de l'analyse canonique des
corrélations (ACC) pour identifier un voisinage homogène d’un site non jaugé.
Par la suite, dans le but d’identifier les combinaisons de méthodes de DRH et d’ER les plus
prometteuses permettant une meilleure estimation des risques des extrêmes hydrologiques, une
étude comparative a été mise au point incluant différentes approches d’AFR. Les techniques
considérées au niveau des deux étapes de la procédure d’AFR sont des techniques linéaires (telles
que l’ACC et la régression multiple) et non linéaires (telles que l’ACCNL, les réseaux de neurones
artificiels et les modèles additifs généralisés). Les résultats d’une étude comparative, détaillés dans le Chapitre 3, sont en faveur de l’introduction d’une composante non linéaire au niveau de chacune
des deux étapes de l’analyse régionale.
Un modèle d’AFR basé sur la notion de la régression quantile (RQ) a été conçu afin d’améliorer
l’exploitation des données hydrologiques disponibles. En développant un critère d’évaluation
objectif, nous montrons l’intérêt de considérer un tel outil assez puissant dans l’AFR des crues. Le
développement de ce modèle et les résultats obtenus sont présentés dans le Chapitre 4 de ce rapport.
Parallèlement à l’aspect non linéaire du processus hydrologique, la non-stationnarité des extrêmes
hydrologiques est également l’un des facteurs déterminants lors de la modélisation statistique des
extrêmes hydrologiques. À cet égard, un modèle d’AF non linéaire non stationnaire basé sur la
notion de la RQ a été développé à l’échelle locale. Ce modèle servira comme base pour intégrer
cet aspect de non-stationnarité dans l’AFR. Nous montrons dans le Chapitre 5 que, comparée aux
approches classiques, cette approche peut être prometteuse non seulement en termes de
performances mais également au niveau conceptuel.


identifier: Tanong, Kulchaya  (2016). Récupération par voie hydrométallurgique des métaux à partir des déchets de piles mélangées.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 457 p.

subject:
piles
récupération
métaux
lixiviation
hydrométallurgie
déchets dangereux

abstract:
Au Canada, près de 671 millions d’unités (Mu) de piles primaires (piles non rechargeables) ont été vendues en 2015, dont près de 173 Mu pour la province de Québec. Concernant les piles secondaires (piles rechargeables), des ventes de 22 Mu étaient attendues au Canada en 2015.
Actuellement, seulement 10% des piles usagées mises au rebut sont recyclées, les 90% restantes sont incinérées ou enfouies avec les déchets domestiques. Par conséquent, plusieurs milliers de tonnes de déchets sont envoyées chaque année vers des lieux d’élimination (sites d’enfouissement ou incinérateurs) en raison du manque de technologies innovantes et rentables permettant de les recycler.
Dans les procédés existants, le tri manuel limite considérablement le potentiel de recyclage des déchets de piles en raison des coûts élevés de main d’oeuvre et du manque de technologies existantes. Le développement d’une nouvelle filière de traitement des déchets de piles sans tri manuel préalable est fortement encouragé d’un point de vue environnemental et économique. De plus, les métaux présents dans les déchets de piles sont des éléments inorganiques à haute valeur ajoutée.
Ce projet de recherche s’intéresse au recyclage et à la valorisation des métaux d’intérêt, tels que le zinc (Zn), le manganèse (Mn), le cadmium (Cd) et le nickel (Ni) présents dans les déchets de piles mélangées. Le mélange des piles usagées contient des piles alcalines, piles Zn-C, piles Ni-Cd, piles Ni-MH, piles Li-ion et piles Li-M. La proportion de chaque type de piles est estimée selon les quantités de piles usagées actuellement disponibles dans les sites de recyclage. Une filière technologique de traitement a donc été mise au point afin de récupérer les métaux présents dans un mélange représentatif de déchets de piles. Les piles usagées ont d’abord été déchiquetées manuellement, puis tamisées et broyées afin d’obtenir une poudre fine homogène. Les métaux contenus dans cette poudre fine ont ensuite été solubilisés en présence d’un acide inorganique et d’un agent réducteur qui est utilisé pour favoriser la dissolution du Mn(IV). Plusieurs acides (organiques et inorganiques) ont été testés à 20 et 80°C et le meilleur rendement de solubilisation a été obtenu à 20°C avec l’acide sulfurique. L’optimisation des conditions opératoires telles que la concentration en acide, le ratio solide/liquide, le temps de résidence et le nombre d’étapes de lixiviation a été réalisée en utilisant le modèle Box-Behnken. Dans les conditions optimales (1,34 M H ₂SO₄, ratio solide/liquide de 10%, temps de réaction de 45 min et 0,45 g de Na₂S₂O₅/g de poudre de piles), le lixiviat obtenu contenait du Mn (29 g/L), du Zn (21 g/L), du Cd (3,6 g/L), du Ni (4,5 g/L), du Co (0,3 g/L) et du Fe (0,7 g/L), ainsi que du Li à l’état de traces (< 0,08 g/L).
Après l’étape de solubilisation, le zinc a été récupéré sélectivement par extraction par solvant suivie d’une étape d’éléctrodéposition. La combinaison des deux méthodes a permis la récupération de 123 kg de Zn/t de poudre de piles avec une pureté de 99%. Un mélange consitué de 20% à 30% de Cyanex 272 (Acide di(2,4,4-triméthylpentyl)phosphinique) et de 2% de TBP (tributyl phosphate) a été utilisé comme solvant d’extraction. Le temps de réaction était de 10 min et le ratio phase organique/phase aqueuse (O/A) de 2/1 (v/v). Deux étapes d’extraction à 50°C ont été nécessaires pour maximiser la récupération du zinc. L’étape d’électrodéposition a été effectuée à un pH = 2 pendant 180 min en utilisant une densité de courant de 370 A/m². La solution aqueuse appauvrie en zinc a ensuite été mélangée avec 30% de D2EHPA (acide di-(2-éthylhexyl) phosphorique) et 5% de TBP pour une co-extraction du cadmium et du manganèse. Ce solvant a été choisi pour cette étape à cause de sa grande capacité d’extraction à pH acide. L’étape d’extraction a été suivie par une éléctrodéposition pour récupérer sélectivement 34 kg de Cd/t de poudre de piles sous forme métallique pure à 98%. Le temps de réaction est moins long pour la solution synthétique (90 min) et plus élevé pour la solution réelle (240 min).
Après la récupération du cadmium par une électrodéposition sélective, le pH de la solution a été ajusté à 9 par ajout de NaOH et de Na₂CO₃ afin de précipiter le manganèse sous forme de carbonates. Une quantité de 550 kg/t de MnCO₃ a été récupérée avec une pureté de 94% après deux étapes de lavage avec de l’eau distillée.
Après avoir récupéré le Zn, le Mn et le Cd, les impuretés ont été éliminées à pH = 5,9 en utilisant du Cyanex 272 qui a une grande affinité pour le cobalt (ratio O/A = 0,5/1, une étape d’extraction, température = 50°C, temps de réaction = 10 min, 5% TBP). Une solution pure de NiSO₄ a été obtenue et après ajout de Na₂CO₃, le nickel a été récupéré sous forme de carbonates (36 kg Ni/t de poudres de piles) purs à 98% (pH = 9, deux étapes de lavage).

Canada, nearly 671 million units of the primary batteries (non-rechargeable) were sold in 2015 and approximately 173 million units in the province of Quebec. Regarding to the secondary cells (rechargeable batteries), sales of 22 million units were expected in Canada in 2015.
Currently, only 10% of used batteries are recycled, the remaining 90% is incinerated or landfilled with the household waste. Consequently, thousands tons of wastes are sent to any available disposal sites each year (landfill or incineration) due to the lack of innovative and cost-effective recycling technologies.
Nowadays, manual sorting considerably limits the potential for waste batteries recycling because of the high labor costs and the lack of feasible technologies. The development of a new battery waste treatment system without manual sorting is strongly encouraged from an environmental and an economic perspective. Additionally, metals present in the waste batteries represent a high-value market.
This research focuses on the recycling and the recovery of metals of interest, such as zinc (Zn), manganese (Mn), cadmium (Cd) and nickel (Ni) present in the mixture of waste batteries. The mixture of waste batteries is mainly composed of alkaline batteries, Zn-C batteries, Ni-Cd, Ni-MH, Li-ion batteries and Li-M batteries. The proportion of each type of battery is estimated by the quantity of batteries currently available for recycling in the province of Quebec. The waste batteries treatment system has been developed to recover the metals from a representative mixture of waste batteries in the present study. Spent batteries are first shredded manually, then sieved and milled to obtain a homogeneous fine powder. The metals contained in this fine powder were then solubilized in the presence of an inorganic acid and a reducing agent which is used to promote the dissolution of Mn(IV). Various types of acids (organic and inorganic) were tested at 20 and 80°C and the best yield of solubilization was obtained at 20°C with sulfuric acid. The optimization of operating conditions such as the acid concentration acid, the solid/liquid ratio, the residence time and the number of leaching stages was carried out by applying a Box-Behnken design. Under the optimal conditions (1.34 M H₂SO₄, solid/liquid ratio = 10%, 45 min of reaction time and 0.45 g Na₂S₂O₅/g of batteries powder), the leachate obtained mainly contained Mn (29 g/L), Zn (21 g/L), Cd (3.6 g/L), Ni (4.5 g/L), Co (0.3 g/L), Fe (0.7 g/L) as well as some traces of Li (<0.08 g/L).
After the solubilization step, the zinc has been selectively recovered by solvent extraction followed by an electroplating step. The combination of the two methods has enabled the recovery of 123 kg Zn/t of waste battery powder with a purity of 99%. A mixture of 20% to 30% of Cyanex 272 (bis(2,4,4-trimethylpentyl) phosphinic acid) and 2% TBP (tributyl phosphate) was used as the extractant solvent. The reaction time was fixed at 10 min and the organic/aqueous (O/A) ratio at 2/1. Two extraction steps at 50°C were required to maximize the zinc recovery. The electrodeposition step was carried out at pH = 2 for 180 min using a current density of 370 A/m². The Zn-depleted aqueous solution was then mixed with 30% of D2EHPA (phosphoric acid dialkyl) and 5% of TBP to simultaneously extract the cadmium and the manganese. This solvent has been chosen for this step because of its high extraction capacity in acidic condition. After the extraction step, the electroplating was applied to selectively recover 34 kg Cd/t waste battery powder in a pure metallic form (98%). The electroplating reaction time is shorter for the synthetic solution (90 min) and higher for the real solution (240 min).
After removing cadmium from the solution by selectively electroplating, the pH of the solution was adjusted to 9 by an addition of NaOH and Na₂CO₃ to precipitate the manganese as carbonates. An amount of 550 kg/t of MnCO₃ was recovered with a purity of 94% after two washing steps with distilled water.
After Zn, Mn and Cd recoveries, the impurities were removed from the effluent at pH = 5.9 using 10% of Cyanex 272 that is selective for cobalt in the presence of nickel (O/A ratio = 0.5/1, one extraction step, temperature = 50°C, reaction time = 10 min and 5% TBP). A pure solution of NiSO4 was obtained after the previous step. The nickel was precipitated with Na₂CO₃, NiCO₃ with (36 kg Ni/t of batteries powder) 98% purity (pH = 9, two washing steps) was finally obtained as a final product.


identifier: Klai, Nouha  (2016). Développement d’un procédé de production de biofloculants à base de Cloacibacterium normanense utilisant les boues d’épuration comme matière première.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 370 p.

subject: production de biofloculants

subject: boues d’épuration

subject: Cloacibacterium normanense

subject: SPEs

abstract:
Quel que soit le système d’épuration adopté, le traitement des eaux usées s’accompagne d’une production de quantités de boues non négligeables dont il faut se débarrasser. Plusieurs filières existent pour l’élimination de ces boues, mais le choix doit être tributaire du coût d’installation, de l’origine de boues, de la valeur ajoutée du produit qui en résulte et de l’impact que pourrait avoir la filière retenue sur l’environnement. La valorisation biologique ou agricole constitue des technologies qui permettent de transformer les boues en produits à haute valeur ajoutée en minimisant les risques de pollution. Néanmoins, l’épandage des composts obtenus ne doit pas se faire sans s’être assuré de leur hygéinisation et de leur stabilisation. De plus, le compost de boues doit être exempt de toxicité à cause des agents floculants (les polymères chimiques) utilisés pour le conditionnement de boues et des teneurs en micropolluants organiques (phtalates, PCB, HAP…) ou métalliques. Pour s’affranchir aux polymères chimiques, une attention scientifique particulière est portée sur l’utilisation des biofloculants et des bios polymères produits par des microorganismes. Ces sont des biopolymères qui représentent une excellente alternative en raison de leurs coûts économiques et de leurs biodégradabilités limitant ainsi les risques environnementaux. Des recherches antérieures sont intéressées aux substances polymériques extracellulaires qui sont considérées comme une approche économique et rentable pour améliorer la décantation et la déshydratation de boues. Le présent travail oeuvre pour explorer et découvrir de nouveaux biofloculants potentiels sous forme de substances polymériques extracellulaires (SPEs) qui limitent l’utilisation des agents floculant ; afin de favoriser et faciliter la décantation et la déshydratation de boues. L’objectif de ce projet est de découvrir un nouveau procédé mettant en synergie une nouvelle souche qui produit une concentration élevée de SPEs dans les boues et une potentialité maximale de biofloculation. Nous verrons la première étape qui est le screening des souches productrices des SPEs, ensuite les étapes de production et d’extraction des SPEs pour enfin terminer avec leur caractérisation et leur potentialité de floculation.
Dans ce contexte, différentes souches bactériennes productrices de SPEs ont été isolées à partir de boues secondaires (unité de biofiltration). Selon deux paramètres (concentration de SPEs et l’activité de biofloculation), Cloacibacterium normanense a été sélectionnée comme meilleure souche pour la production de SPEs qui produit 11,8 g/L de B- SPEs (Brute –SPEs) à 25 °C et 180 rpm pendant 48h. 92% d’activité de floculation est atteint utilisant 150 mg/L de Ca²⁺ et 2,3 mg/g kaolin de S-SPEs.
Dans l’optique d’optimiser les résultats précédents, les meilleures conditions de fermentation (pH, température, agitation et taille d’inoculum) ont été par la suite appliquées afin d’améliorer le procédé de production. 13,3 g/L de B-SPEs (13 g/L de S-SPEs et 0,3 g/L de C-SPEs) a été obtenu dans des boues stérilisées à pH 7, inoculées avec 3 % d’inoculum et incubées à 30°C et 180 rpm pendant 48 h avec une potentialité de floculation de 94,2% utilisant 1,3 mg S-SPEs/g Kaolin. Différentes méthodes d’extraction ont été utilisées, mais, aucune étude n’a évaluée l’effet de ces techniques d’extraction sur l’activité de biofloculation des SPEs. Dans ce contexte, dix méthodes ont été testées pour l’extraction de SPEs présentes naturellement dans les boues secondaires. Les méthodes chimiques sont les plus efficaces pour extraire la majorité de SPEs produites dans les boues secondaires. La méthode de la centrifugation et chauffage a présenté de faibles concentrations de SPEs (1,2 g/L) en comparaison d’autres méthodes (formaldéhyde, sonication, EDTA…). Par contre, aucune lyse cellulaire n’a été remarquée dans le cas d’EDTA et de sonication. L’utilisation de formaldéhyde a montré une protection des cellules et a minimisé le dommage cellulaire en combinaison que ce soit avec la méthode de sonication ou avec l’EDTA. 6,2 g/L et 6,8 g/L de SPEs ont été extraites par l’EDTA, et Formaldéhyde-sonication-EDTA, respectivement. Un taux d’extraction élevé a été remarqué en utilisant ces deux méthodes en comparaison de la centrifugation, par contre une lyse cellulaire a été accompagnée qui peut être expliquée par la variation de la teneur en acides nucléiques de 0.09 mg/L en cas de centrifugation au 1.1 mg/L en cas de l’EDTA (5 g/L). Par contre, ce dommage cellulaire n’a aucun effet négatif sur l’activité de biofloculation qui a atteint 95% evec l’EDTA (5 g/L).
Les différents facteurs inhérents à ce procédé tels que la source de carbone, le pH, la température, l’oxygène ont été pris en considération et particulièrement le type et la concentration de source de carbone. Ainsi, cette étude s’est orientée sur l’optimisation de la production de SPEs d’une part et la minimisation des coûts de la production d’autre part. Le glycérol brut est suggéré pour être utilisé comme substrat supplémentaire aux boues suite à son faible coût et sa disponibilité. Une caractérisation biochimique a été précédemment réalisée utilisant le test de Biolog afin de vérifier la possibilité de Cloacibacterium normanense d’assimiler le glycérol comme substrat. Différentes concentrations de glycérol (0,5, 1, 2% (v/v)) ont été utilisées. 21 g/L de B-SPEs à 72 h a été montré en utilisant 20 g/L de glycérol en comparaison au 5 g/L (15,8 g/L de B-SPEs) et 10 g/L (18 g/L de B-SPEs). La quantité de glycérol a été diminuée au cours de la fermentation de 20 g/L à 6 g/L. Trois méthodes d’extraction (EDTA, centrifugation et traitement thermique) ont été utilisées dans cette étude. L’EDTA a été sélectionné à partir de l’étude précédente et la centrifugation a été utilisée comme une méthode de contrôle. Une variation significative de la concentration de SPEs obtenue ; 21,3 g/L± 0.5 en cas de la centrifugation et 25,5± 2.5 g/L en cas de 5 g d’EDTA/L. Toutefois, utilisant 4,2 mg B-SPE/g Kaolin, les activités de floculation obtenues
par les trois méthodes d’extraction (Centrifugation, chauffage et EDTA) sont : 90,5 ; 77 and 77,5 %, respectivement. Dans cette étude, la centrifugation est la meilleure méthode qui offre à la fois une concentration élevée de SPEs et une haute potentialité de floculation avec un minimum de dose.
En tenant compte de résultats précédents, la concentration de SPEs est constante à partir de 72 h et la concentration de glycérol brut n’est pas totalement consommée. Une attention particulière est portée sur la variation du rapport carbone /azote au cours de la fermentation. Ce rapport qui peut favoriser la production de SPE lorsqu’il est faible contrairement à la production de lipides qui demande un rapport élevé pour stimuler l’accumulation de lipides. Dans ce sens, Cloacibacteriunm normanense semble une candidate d’une production de deux bioproduits, les SPEs et les lipides. De ce point de vue, cette étude est centrée sur l’ajout d’une source d’azote afin de favoriser l’accumulation de lipides et un environnement riche en carbone pour la production des SPEs. Les meilleurs résultats sont obtenus avec 22 g/L de SPEs et 27.6 % (p/p) de lipides accumulés pendant 72 h de fermentation utilisant un rapport C/N de 25.
La matrice polymérique des biomasses renferme un large et hétérogène panel de molécules qui sont différentes tant sur le plan structurel que sur le plan des propriétés. Toutefois, c’est l’ensemble de ces propriétés qui va engendrer leur rôle fondamental dans la formation de flocs, décantation et déshydratation de boues et adsorption de métaux. Les travaux ont d’abord consisté à caractériser la structure et la composition chimique des SPEs. Pour ce faire, le FTIR et le LC/MS ont été utilisés. Les résultats de cette étude ont montré que les SPEs produites par Cloacibacterium normanense sont riches en diverses classes de molécules (les protéines, les polysaccharides, les substances humiques, les acides uroniques, les acides nucléiques) portant des groupes fonctionnels variés tels qu’hydroxyle, carboxyle, amide, amine, sulfure, etc. Les SPEs ont de nombreuses fonctions dans la vie des biomasses, dues aux propriétés de ces molécules. Ces SPEs ont été étudiées dans la formation de flocs dans les boues avec une activité de 73% en comparaison de 63% d’activité utilisant le Zetag (un polymère chimique utilisé dans la station d’épuration de Québec). Le rôle de SPEs dans la décantation est clairement démontré suite à la diminution de l’indice du volume des boues IVB en comparaison de contrôle (sans addition de SPEs). Les SPEs ont été évalués dans la décantation et la déshydratation de deux types de boues (municipales et papetières) à des concentrationen matières en suspension (MES) variées (7, 5, 2 et 1 g/L). Un indice du volume des boues municipales et papetières avec 5 g/L MES est de 20 mL/g après 5 min de décantation en comparaison de 50 mL/g après 30 min dans le cas de contrôle (sans ajout de SPEs). De plus, une diminution de temps de succion capillaire a été enregistrée montrant une élimination d’une quantité importante d’eau par les SPEs avec un pourcentage de déshydratation de 37,6% utilisant seulement 0,02 g/L de S-SPEs. De nombreuses études ont été menées sur les capacités de bio sorption des métaux par les SPEs. Celles-ci ont été appliquées pour le traitement des eaux usées primaires contaminées par des éléments métalliques. Une capacité d’élimination de 85% de Nickel (Ni), 70% de Fer (Fe) et Aluminium (Al) ont été montrés en utilisant 35 mg/L de SPEs. Avec tous les résultats obtenus sur le plan production, composition, structure et propriétés des SPEs, ces biopolymères représentent définitivement une excellente alternative à l’échelle laboratoire.


identifier: TranThanh, Tam  (2016). Allocation dynamique de ressources pour les réseaux cellulaires sans fil full-duplex OFDMA.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en télécommunications, 79 p.

subject:
réseaux cellulaires Sans Fil
transmission Full-duplex OFDMA
communication sans fil
5G
auto-interférence (SI)
allocation de ressources

abstract:
Full-duplex (FD) has recently been considered as a technological evolution for
next-generation wireless networks with the expectation of signi_cant capacity increase.
In FD systems, a wireless terminal can transmit and receive a signal on
the same frequency band at a particular time slot. Therefore, FD systems can
potentially double the spectral efficiency relatively to the Half-duplex (HD) ones.
The advantages of FD have come from the combination of various techniques,
including antenna design, analog and digital cancellation, to e_ectively reduces
self-interference caused by the transmitted signal of a terminal to itself. Nevertheless,
the performance of the FD sytem cannot be as good since it still depends
on the resource allocation design.
This thesis focuses on the resource allocation problem in a full-duplex (FD) multiuser
single cell system consisting of one FD base-station (BS) and multiple
FD mobile nodes. In particular, we are interested in jointly optimizing power
allocation (PA) and subcarrier assignment (SA) for uplink (UL) and downlink
(DL) transmission of all users to maximize the system's sum-rate. First, the
joint optimization problem is formulated as a nonconvex mixed integer program,
a notoriously di_cult nonconvex problem. Then two approaches are proposed
to solve this problem. In the _rst method, the SA problem is solved by the
bipartite matching method and then the PA is solved by employing the successive
convex approximation for low complexity(SCALE) algorithm. In the second
method, an iterative algorithm is developed to solve this problem e_ciently. In
each iteration, the SA is relaxed into real numbers and updated by a gradient
method, whereas the PA is again solved by the SCALE algorithm. Two greedy
algorithms are further introduced in order to measure the e_ectiveness our design.
Finally, numerical results are presented to demonstrate the signi_cant gains
of the proposed algorithms in comparison with the conventional approaches.


identifier: Tranchot, Alix  (2016). Étude par émission acoustique et dilatométrie d’électrodes à base de silicium pour batteries Li-ion.  Thèse.  Québec - Villeurbanne, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique - Institut National des sciences appliquées, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 150 p.

subject:
batteries Li-ion
dilatométrie
émission acoustique
anode
silicium
Li-ion batteries
in-situ dilatometry
acoustic emission
Si-based anode.

abstract:
Les batteries Li-ion, très répandues dans le domaine des applications portables, utilisent comme matériaux d’anode du graphite. Afin d’augmenter leur densité d’énergie, en particulier pour le marché des véhicules électriques, il est nécessaire de développer de nouveaux matériaux d’électrode plus performants. À ce titre, le silicium, dont la capacité spécifique (3579 mAh/g) est dix fois supérieure à celle du graphite, est un matériau actif d’anode particulièrement prometteur. Néanmoins, lors de sa lithiation, il subit une forte expansion volumique (~300% contre 10% pour le graphite) conduisant à la décrépitation des particules de Si et à la fissuration/décohésion de l’électrode. Il en résulte une perte de connectivité électronique au cours du cyclage, ce qui diminue notablement la durée de vie de l’anode.
Pour améliorer la tenue au cyclage des électrodes à base de Si, il est nécessaire de bien comprendre/quantifier leur dégradation morphologique selon leur formulation et les conditions de cyclage, ce que permettent difficilement des analyses post mortem conventionnelles. Notre objectif est donc d’utiliser et de développer des outils d’analyse permettant d'étudier in operando la dégradation de ces électrodes. Dans ce but, nous avons mis en oeuvre des protocoles de caractérisation in operando, appliquées à des électrodes composites Si-C-CMC, en couplant des mesures électrochimiques à l’émission acoustique d’une part et à la dilatométrie d’autre part.
Le suivi de l’activité acoustique au cours du cyclage de l’électrode a montré, non seulement, que les particules de Si micrométrique (1-5μm) constituant cette électrode se fracturent dès le début de la lithiation, mais aussi que la fissuration de l’électrode Si-C-CMC se produit progressivement tout au long de la 1ère lithiation. Peu d’activité acoustique est détectée par la suite. Par l’analyse des signaux acoustiques, trois types de signaux ont été identifiés, se différenciant principalement selon leur fréquence de pic. Les signaux de hautes fréquences sont associés principalement aux micro-fractures des particules de Si en début de lithiation, et les signaux à moyennes et basses fréquences sont respectivement attribuées à la fissuration de l’électrode et aux macro-fractures des particules de Si en fin de lithiation.
L’étude dilatométrique réalisée sur les électrodes Si-C-CMC a montré une expansion volumique maximale d’environ 170 % avec une encre tamponnée à pH 3 versus 300 % lorsque l’électrode est préparée à pH 7. Cette différence de comportement s’explique par la formation de liaisons cohésives entre le liant CMC et les particules de Si lorsque l’électrode est préparée à pH 3, améliorant ainsi sa résistance mécanique. Ceci a pu être confirmé par des mesures de la dureté et du module d’élasticité des électrodes par indentation. De fait, l’électrode formulée à pH 3 montre une meilleure cyclabilité.
Enfin, nous avons démontré que la diminution de la taille des particules de Si ne conduit pas obligatoirement à une amélioration de la tenue au cyclage de l’électrode. En effet, une diminution notable de la durée de vie de l’électrode est observée lorsque la taille initiale des particules de Si est diminuée de 230 à 85 nm. Nous expliquons ce résultat inattendu par une quantité insuffisante de CMC par rapport à la surface spécifique plus élevée des particules de Si de taille plus faible. De fait, sa résistance mécanique est insuffisante et conduit à une fissuration et une exfoliation importantes de l’électrode lors des premiers cycles. Ceci est appuyé par les mesures in operando de dilatométrie et d’émission acoustique ainsi que par des observations MEB post mortem. Cette hypothèse est également corroborée par une augmentation notable de la tenue au cycle de l’électrode lorsque la proportion et la masse moléculaire de la CMC sont augmentées.

 Lithium-ion batteries, which are widely commercialized for portables devices, use an anode of graphite. In order to increase their energy density, especially for the electric vehicle market, the development of new electrode materials is required. Silicon is a particularly interesting active material for the anode, thanks to its high specific capacity (3579 mAh/g, ten times higher than the capacity of graphite). Nevertheless, upon lithiation, silicon undergoes an important expansion (300% vs 10% for graphite). This leads to the cracking of the Si particles and fracturing/peel-off of the electrode film. These induces electrical disconnections upon cycling, resulting in a poor electrode cycle life.
To improve the cyclability of the Si based electrodes, it is important to better understand/quantify their mechanical degradation depending on their formulation and cycling conditions. Conventional post mortem analyses are insufficient for that purpose. The objective of this work is thus to develop and use in operando analyses techniques to evaluate the degradation of our Si-based electrodes. Therefore, we established protocols to characterize Si-C-CMC composite electrodes by electrochemical measurements coupled with either acoustic emission or dilatometry measurements.
The evolution of the acoustic activity upon cycling showed that the cracking of the micrometric (1-5 μm) Si particles and of the composite film mainly occurs during the first cycle and is initiated in the early stage of the lithiation. Very few AE signals are detected in the following cycles. The analysis of the AE signals leads to the identification of three types of signals depending to their peak frequency. High frequency signals were associated with surface micro-cracking of the Si particles at the beginning of lithiation. Medium and low frequency signals were respectively attributed to the fracturing of the electrode film and bulk macro-cracking of the Si particles at the end of lithiation.
An electrode thickness expansion of 170% was measured by electrochemical dilatometry for our electrodes prepared at pH 3 versus 300% for electrodes prepared at pH 7. The different mechanical behavior is explained by the formation of covalent bonds between the CMC binder and Si particles at pH 3, which increases the mechanical stability of electrodes. This was confirmed by the measurement of their hardness and Young’s modulus. Therefore, pH 3 electrodes display a higher capacity retention.
It was also demonstrated that a decrease of the Si particle size does not necessarily lead to an improvement of the electrode cycle life. Indeed, we observed a significant decrease of the electrode cycle life when the Si particle size is decreased from 230 to 85 nm. This can be explained by a lack of CMC binder in relation with the higher surface area of the smaller Si particles, leading to a lower mechanical resistance of the electrode film. Within the first cycles, Si 85 nm based electrodes suffer from important cracking and exfoliation. This was confirmed by in operando dilatometry and acoustic measurements, and post mortem SEM observations. Accordingly, the cycle life increases significantly with a higher proportion and molar weight of CMC binder.


identifier: Beaulieu, Cindy  (2017). Réaction de séquestration du CO₂ à la cheminée dans l’industrie du fer par carbonatation minérale de résidus miniers avec utilisation d’acide pour amorcer la dissolution du fer.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de la terre, 133 p.

subject:
carbonatation minérale
séquestration du CO₂
résidus miniers
oxydes de fer
pH swing

abstract:
Les scientifiques oeuvrant dans le domaine des changements climatiques s’entendent sur le fait que le réchauffement planétaire est dû à l’activité humaine, et ce, par l’augmentation des émissions anthropiques de gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère. Au Québec, en 2013, le deuxième secteur d’activité le plus émetteur de GES était le secteur industriel (31% des émissions totales), tout juste derrière celui des transports (43%).
Ce projet de maîtrise, réalisé en partenariat avec la compagnie minière Cliffs Natural Resources (CNR), vise à capturer les émissions de CO₂ émis par une usine de boulettes de fer, par le processus de carbonatation minérale. Les matériaux étudiés pour ce procédé sont des résidus miniers de la compagnie. Les deux problématiques de ce projet sont donc les émissions de GES de l’usine ainsi que la gestion des résidus entreposés dans le parc à résidus. En réponse à ces deux problématiques, l’objectif principal a été de vérifier le potentiel des résidus miniers à être intégré dans un procédé de carbonatation minérale. L’utilisation de ces résidus permettrait non seulement de réduire les émissions, mais également de diminuer la quantité de résidus localisés dans les parcs, tout en apportant une valeur ajoutée à ces déchets.
La caractérisation complète des résidus miniers a permis d’identifier les métaux présents dans les résidus pouvant former des carbonates avec le CO₂. Le plus abondant est le fer (21% Fe₂O₃), en plus de contenir du calcium et du magnésium en quantité limitée. Ensuite, les premiers essais de carbonatation minérale ont été réalisés, selon un procédé direct en phase aqueuse, dans des conditions adaptées au domaine industriel de pressions et de températures modérées. À la suite de ces essais, n’ayant pas démontré d’efficacité, les travaux se sont poursuivis selon un processus indirect, en utilisant de l’acide sulfurique pour amorcer la dissolution des métaux dans une première étape. Le pourcentage de lixiviation du fer a été de seulement 4%. Par la suite, le pH de la solution a été augmenté à l’aide d’hydroxyde de sodium jusqu’à environ 8. Lors de ce pH swing, le fer a été éliminé du système, ne laissant en solution que les deux autres métaux, soit le calcium et le magnésium. Ainsi, à la suite de l’ajout de CO₂ sous forme de Na₂CO₃, une infime quantité de dolomite a été formée. Bien que ces résultats soient peu concluants pour le développement d’un procédé de carbonatation minérale à l’échelle industrielle, les données rapportées pourront être utiles lors de l’élaboration de nouvelles solutions pour la gestion de ces résidus.

Scientists examining climate change agree that global warming is linked to anthropogenic sources increasing greenhouse gas (GHG) concentrations in the atmosphere. In 2013, Quebec’s industrial sector was the second most important GHG emitter (31% of the total emission) after transportation (43%).
This Master’s thesis, in partnership with Cliffs Natural Resources (CNR), examined the possibility of capturing CO₂ emission from their iron ore pelleting facilities using mineral carbonation. The approach of using iron tailings as reactive materials for mineral carbonation was investigated. The main objectives of this project were the reduction of industrial GHG emissions and the revalorization of mine waste stored in tailings sites. These objectives were evaluated by examining the possibility of integrating CNR mine tailings into a CO₂ sequestration process. This way, the use of mine tailings would not only reduce GHG emission, but also reduce the amount of material located in tailing sites, which is added value for this operation.
Complete characterization of the mine tailings was done. These analyses identified metals that could potentially react with CO2 and form solid carbonates during the capture process. Iron (21 % Fe₂O₃) was the most abundant metal, and there were also limited quantities of calcium and magnesium in the material. Initial carbon capture reactions were realized by direct aqueous mineral carbonation, using low pressure and low temperature conditions in a batch reactor. Following these tests, which were not conclusive, an indirect carbonation process was investigated using sulfuric acid to initiate metal dissolution from the material as a first step. Iron leaching for this process was only 4%. Thereafter, a pH swing (pH 8) using sodium hydroxide was examined. During this step, all iron precipitated, and was removed from aqueous system, leaving in the solution calcium and magnesium in restricted amounts. Using Na₂CO₃ as a CO₂ source, a minor amount of dolomite has precipitated. These results are inconclusive for the application of an industrial mineral carbonation process at CNR facilities. However, the reported data could be useful for the development of new solutions for managing these mine tailings.


identifier: Barhoumi, Aimane  (2017). Impacts des situations d’urgence sur la détection de contaminations éventuelles dans les réseaux de distribution d’eau potable.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 83 p.

subject:
eau potable municipale
détecteurs
situation d’urgence
incendie
bris de conduite
matrice de détection
réseau d'aqueduc

abstract:
La contamination dans un réseau de distribution d’eau potable peut être soit accidentelle (mauvais entretien des infrastructures, déficit de pression, etc.) ou intentionnelle (intervention malveillante). Cette contamination peut avoir des effets néfastes sur la santé de l’Homme d’où la nécessité d’installer des détecteurs dans le réseau pour suivre, en temps réel, la qualité de l’eau dans les conduites. À travers les données recueillies par les détecteurs et suite à une première détection, la procédure d’intervention pour décontaminer l’eau est établie selon les conditions d’écoulement de l’eau étant donné que pour chaque détecteur d’où la première détection se produit, une zone d’où la contamination peut provenir est identifiée. Or, il arrive parfois que ces conditions d’écoulement changent suite, notamment, aux fermetures de vannes ou lors d’incendies. Ainsi, le présent travail s’intéresse premièrement à développer une méthode, en utilisant le logiciel S-Place, pour réduire le temps de simulation tout en optimisant le placement des détecteurs dans un réseau réel en utilisant un ordinateur de bureau. Puis, à démontrer les différents types d’impacts que peuvent avoir les situations d’urgence (incendies et bris de conduites) sur la détection de contaminants.
Les résultats obtenus pour le placement des détecteurs ont permis de réduire le temps de simulation dans un réseau réel de 7 jours à seulement 15 heures en utilisant un ordinateur de bureau. En qui concerne les situations d’urgence, leur simulation a démontré que leur impact varie selon le noeud/conduite où la situation a été simulée.

The contamination of a drinking water distribution network can be either accidental (poor infrastructure maintenance, pressure deficit, etc.) or intentional (malicious interference). This contamination can cause adverse health effects on the population, hence the need to install sensors in the network to track, in real time, the quality of the water in the pipes. By using the data collected by sensors and following a first detection, intervention procedure to decontaminate the water is established according to the current condition of the flow of the water since, at each detector where the first detection occurs, an area where contamination may originate is identified. However, sometimes the conditions of the water flow may change following the closures of the valves or in case of fire. Thus, the present work focuses mainly in developing a method, using the Splace software, to reduce the simulation time while optimizing the placement of sensors in a real network using a computer. Then, to demonstrate the different types of impacts that can the emergency situations (fires and broken lines) have on detecting contaminants.
The results for the placement of detectors have reduced the simulation time in a real network from seven days to only 15 hours. Regarding the emergency situation, their simulations have shown that their impact varies depending on the node /pipe where the situation was simulated.


identifier: Benkaraache, Sanae  (2016). Évaluation des possibilités du traitement d’un sol contaminé par du cuivre et du nickel provenant de résidus miniers en utilisant des procédés physique et chimique.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 118 p.

subject:
résidus miniers
séparation gravimétrique
table de Wilfley
cuivre
nickel
lixiviation avec H₂SO₄

abstract:
La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de
ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce
résumé peut être lue en PDF. Le but de ce projet est d’explorer les possibilités de réhabilitation d’un sol contaminé à la fois par des hydrocarbures pétroliers et des métaux lourds. Néanmoins, l’étude s’est plus focalisée sur les contaminants métalliques provenant de résidus miniers chargés en cuivre et en nickel. Le sol contaminé est classé selon les cinq fractions suivantes : f1 > 4 mm ; f2 1-2 mm ; f3 0,250-1 mm et f4 <0,250 mm et a subi une caractérisation par dissolution acide puis ICP-AES, diffraction des rayons X (DRX) et microscope électronique à balayage (MEB).
D’après les analyses, les teneurs respectives sont de l’ordre de 2102 mg Cu/kg et 1146 mg Ni/kg pour f4, ce qui dépasse le critère C du Ministère du Développement Durable de l’Environnement et de la Lutte contre les Changements Climatiques (MDDELCC).
Les analyses en DRX ont montré la présence importante de gypse ce qui laisse supposé une pollution anthropique par des résidus de construction ou des boues de neutralisation d’un procédé acido-basique à l’acide sulfurique et à la chaux, et ce, en plus de l’apport de résidus miniers. Tandis qu’au MEB, l’étude détaillée révèle que la pollution de Cu et Ni est sous forme de sulfure soit la chalcopyrite et la pentlandite avec un faible degré de libération des particules polluées. Donc une bonne partie de la pollution est portée par des particules qui ont une densité très près de celle des silicates du sol, rendant la séparation par différence de densité peu efficace. Par conséquence, les rendements de séparation obtenus par le procédé gravimétrique à l'aide de la table à secousses (ou table de Wilfley) restent faibles. Un enlèvement de 49% de cuivre et de 25 % de nickel de la fraction 1-2 mm a été obtenu. Les conditions appliquées étaient les suivantes : un débit d’eau d’appoint de 6 L/min, un débit d’eau de lavage de 6 L/min, une inclinaison de 11° degrés et une fréquence de secousses de 300 RPM. Sur la fraction <1 mm les rendements avec la table à secousses sont inconsistants et il n’a pas été possible malgré de nombreux essais, de concentrer le Cu et le Ni dans un plus petit volume de sol.
En appliquant sur le sol une lixiviation acide avec différents réactifs comme : H2SO4, HCl et (H2SO4 + 3 M NaCl) à pH 1,5; 2 et 3, il a été possible d’obtenir des rendements d’enlèvement à pH 1,5 avec H2SO4 de l’ordre de 13,4% et 22.2% pour le Cu et le Ni respectivement. Le fait que le Cu et le Ni seraient sous forme de sulfure tel que démontré lors des analyses au MEB pourraient expliquer ces faibles rendements. En effet les sulfures de métaux nécessitent un oxydant comme le peroxyde d’hydrogène ou tout autre oxydant fort, en plus des conditions acides pour passer en solution. Le faible degré de libération des particules n’aiderait pas non plus à leur solubilisation puisque souvent la partie portant le cuivre ou le nickel se situe dans le coeur de la masse de chaque particule polluée ce qui limite le contact entre l’acide et la source de Cu et Ni. .

The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due
to technical problems. Please use the PDF version to read the abstract. The aim of this project is to explore the possibilities of setting up a treatment system for rehabilitation of soil contaminated by mining residues composed of copper and nickel.
The contaminated soil is classified in the following four fractions: f1 > 4 mm ; f2 1-2 mm ; f3 0,250-1 mm and f4 <0,250 mm which are characterized by acid dissolution and detection with ICP-AES, X ray diffract meter (XRD), and scanning electron microscope (SEM).
The respective content is in the order of 2102 mg Cu/kg and 1146 mg Ni/kg. This fraction represents the most contaminated part of the whole soil.
The adopted method is physical with a shaking table (Wilfley table) on the fraction 1-2 mm. The XRD analyses showed the abundance of calcium sulfate. It probably originates from construction debris or from sludge produced by an acido-alcaline process using sulfuric acid and lime. Sulfur bearing mining residue containing Cu and Ni is also present on site. The SEM analyses reveal that the Cu and Ni pollution is mainly present as sulfide (chalcopyrite and pentlandite). The metal bearing particles have a low degree of liberation (small part of a particle is composed of Cu or Ni compound). Thus leading to a specific gravity close to the one of the silicates particles of the soil (around 2.7 g cm3). So the small difference of density between the Cu or Ni bearing particles and the clean silicate particles make the utilisation of the shaking table less appropriate. We obtained a low removal rate of 49% for copper and 25% for nickel under the following conditions: tilt of 11°; an extra water flow of the order of 6 L / min, a washing water flow of the order of 6 L/min and a frequency of strokes of 300 rpm.
We also tested the acid leaching as a chemical process. Solubilization was carried out with few kinds of acids. The four acids are H2SO4, HCl and (H2SO4 + 3MNaCl) at different pH values 1.5, 2 and 3. The removing rates of copper and nickel, are respectively of the order of 13.4% and 22.2% with H2SO4. Following the SEM analyses we found that the Cu and Ni pollution is present as sulfide (chalcopyrite and pentlandite). Those sulfides do not solubilise in the mild acid used and it requires the addition of a chemical oxidant like hydrogen peroxide to favor solubilisation. A low level of the liberation degree does not help either to solubilise the metals. The copper and nickel sulfide are often in the middle of a silicate particle thus limiting the contact. This implies that the leaching solution (solution of inorganic acid) has a poor access to the metallic sulfide, thus reducing the solubilisation of copper and nickel sulfides.


identifier: Naji, Touriya  (2017). Développement d’un procédé électrolytique de désinfection et de traitement des eaux récréatives de piscines.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 101 p.

subject:
eaux de piscines
électro-oxydation
désinfection
contaminants émergents
caféine
Parabène
perchlorates
swimming pool water
electro-oxidation
disinfection
emerging contaminants
caffeine
parabens
perchlorates

abstract:
La baignade récréative en piscine est une activité aquatique souvent pratiquée par des populations de tous les âges. Cependant, les eaux de piscines peuvent présenter un risque d’exposition à des contaminants de nature microbiologique et/ou chimique. Les contaminants de nature microbiologique sont sous forme de germes pathogènes issus des corps des baigneurs et peuvent proliférer dans les eaux de piscines si la désinfection n'a pas été correctement entretenue. Quant aux contaminants chimiques, ceux-ci incluent les polluants émergents contenus dans la salive, la sueur, l’urine et aussi dans les produits de soins personnels (cosmétiques, crèmes solaires, etc.). Ils comprennent aussi les sous-produits de désinfection qui résultent de l’ajout d’agents oxydants chimiques comme le chlore par exemple.
Les eaux de piscines sont alors un réservoir de contaminants qui peuvent présenter un risque pour la santé des baigneurs surtout les moins âgés. Dans le but de protéger les utilisateurs des piscines, des normes québécoises strictes ont été imposées. Le MDDELCC (Ministère du Développement durable, de l'Environnement et Lutte contre les Changements Climatiques) exige que les unités formant une colonie des indicateurs de contamination fécale, à savoir les coliformes fécaux, Escherichia coli (E. coli), Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) soient inférieures à une unité par 100 mL.
Les techniques conventionnelles de traitement des eaux de piscines comme la désinfection par l’ajout de divers produits chimiques (ex. : chlore, ozone, brome, etc.), peuvent être efficaces vis-à-vis des micro-organismes pathogènes. Cependant, elles peuvent aussi causer l’augmentation de la salinité de l’eau et la formation de sous-produits toxiques et cancérigènes (Trihalométhanes (THM)). Par ailleurs, elles sont inefficaces face à quelques polluants émergents. En vue de répondre aux exigences des normes sur les eaux de piscines, les procédés électrochimiques deviennent de plus en plus intéressants. En effet, l’électro-oxydation appliquée au traitement des eaux récréatives est une technologie propre qui utilise l’électricité comme source d’énergie pour produire in-situ, à partir des eaux à traiter, des oxydants forts sans avoir recours à l’ajout préalablement de produits chimiques.
Ce travail a pour but de développer un système électrochimique de traitement des eaux récréatives capable de désinfecter et d’éliminer simultanément les contaminants émergents susceptibles d’exister dans ce type d’eau (ex. étudié : caféine et parabène). L’efficacité de ce procédé est reliée à la combinaison de deux types d’oxydation : l’oxydation directe et l’oxydation indirecte. L’oxydation directe consiste à oxyder directement les polluants sur l’électrode par génération de radicaux hydroxyles (OH°) obtenus par la décomposition de la molécule d’eau. L’oxydation indirecte consiste à oxyder les polluants en solution par l’intermédiaire d’agents oxydants (tels que H₂O₂, HOCl) générés in situ lors de l’électrolyse des eaux récréatives.
La première partie de ce travail a porté sur l’identification des électrodes les plus efficaces par une étude voltampérométrique et un dosage des oxydants totaux générés in-situ durant l’oxydation électrochimique (OEC). Le feutre de carbone a été retenu comme cathode, alors que le bore dopé au diamant (BDD) et le titane platiné (Ti/Pt) ont été respectivement utilisés à l’anode. Par la suite, une évaluation des performances du procédé électrolytique en désinfection a été effectuée en étudiant l’effet des différents paramètres opératoires : intensité de courant, temps de traitement, type d’anode, type d’eau à traiter et concentration des germes pathogènes. Les premiers tests ont été réalisés sur un litre d’eau, dans une cellule électrochimique parallélépipédique contenant deux électrodes rectangulaires (cathode : feutre de carbone (FC); anode : BDD ou Ti/Pt). Une désinfection efficace des eaux de piscines (contenant 10⁶ UFC/100mL de chaque espèce bactérienne) a été obtenue à une intensité de courant de 1,5 A sur BDD et à 3 A sur Ti/Pt durant 2h. Une baisse très importante de la concentration des oxydants totaux liée à la formation d’un sous-produit d’oxydation (les perchlorates), a été observée en présence du BDD.
Les tests subséquents de désinfection ont été effectués sur de plus grands volumes d’eau (50 et 100 L) dans une cellule cylindrique contenant 4 électrodes (2 FC et 2 BBD). Les résultats ont montré que l’évolution de la concentration du chlore libre durant les heures de traitement était plus significative dans les 100 L que dans les 50 L. Par conséquent, la diffusion du chlore dans la solution (en plus des autres oxydants) en quantités plus importantes comparés aux 50 L, a mené à une désinfection plus rapide (1 heure pour 100 L et 2 heures pour 50 L). Le pH de la solution à 100 L variait faiblement mais restait dans les normes (7,3 à 7,7), alors que celui de la solution à 50 L a dépassé 8,8. Cette différence de pH influence la distribution de l’acide hypochloreux (HClO) et l’ion hypochlorite (ClO⁻). Elle influence aussi la formation des perchlorates qui a remarquablement baissée dans les 100 L par rapport au 50 L.
La deuxième partie de ce travail a porté sur le suivi de l’abattement des deux contaminants émergents (la caféine et le parabène). Ce procédé électrolytique s’avère efficace pour la dégradation de plus de 93% de la caféine et 92% de butyl-parabène (BuPa) après 2 heures d’électrolyse à 3 A en utilisant le Ti/Pt comme électrode anodique.

Swimming is a widely practiced activity by people of all ages. However, swimming pool water may present a risk of human exposure to microbiological and/or chemical contaminants. Microbiological contaminants especially pathogens, are originally introduced into pool water via swimmers bodies and excrements; they can grow and spread if disinfection is not properly maintained. On the other hand, chemical contaminants include emerging pollutants contained in saliva, sweat, urine, personal care products, Etc., and also disinfection byproducts.
Conventional techniques for treating swimming pool water such as disinfection by adding various chemicals (eg. Chlorine, ozone, bromine, etc.), can be effective to remove most of pathogenic microorganisms. However, this type of oxidant agents can increase water salinity and cause byproducts formation (i.e. trihalomethanes (THMs)). Moreover, they are ineffective to remove some emerging pollutants. In order to meet the requirements of pool water standards established by MDDELCC (Ministry of Sustainable Development, Environment and Fight against Climate Change), electrochemical processes have increasingly emerged recently. In fact, electro-oxidation treatment applied to recreational water is a clean technology that uses electricity as source of energy to produce strong oxidants in-situ without adding any chemicals.
This work aimed to develop an electrochemical process for recreational water treatment. This technology is supposed to be capable of simultaneously disinfect and eliminate emerging contaminants that may be contained in pool water (i.e. Caffeine and parabens). Electro-oxidation acts in two different but complementary ways (1) direct oxidation based on in situ generation of hydroxyl radicals OH ° by oxidation of water molecules (2) indirect oxidation also based on in situ production of intermediate oxidizing reagents such as H2O2, HOCl, S2O8 ²⁻, Etc. that are capable of destroying unselectively pollutants.
The first part of this work consisted on identifying suitable electrodes via voltammetric tests, thereafter quantifying total oxidants generated in situ during electrochemical oxidation (ECO). Carbon felt (CF) was incorporated as cathode and boron-doped diamond (BDD) and platinized titanium (Ti/Pt) as anodes. Subsequently, assessment of proposed electrolytic process disinfection performance was conducted by studying the effect of various parameters: current intensity, treatment time, type of anode, type of water to be treated and concentration of pathogens. First tests were conducted in one liter of swimming pool water in an electrochemical cell containing two rectangular electrodes (cathode: carbon felt (CF); anode: BDD or Ti / Pt). Significant disinfection of real swimming pool water containing 10⁶ CFU / 100mL of pathogens was obtained at 1.5 A current intensity using BDD and 3 A using Ti/Pt. Further disinfection tests were carried out on larger volumes of water (50 to 100 L) in a cylindrical cell with 4 electrodes (2 CF and 2 BBD). Results showed that evolution of free chlorine concentration during electrochemical treatment was more significant in 100 L than 50 L. Therefore the distribution of chlorine in 100 L (in addition to other oxidants) in larger amounts compared to 50 L, led to a faster disinfection (1 hour for 100 L and 2 hours for 50 L). pH of the solution in 100 L was visibly stable and ranged from 7.3 to 7.7, however, in 50 L pH was around 8.8. pH difference influences distribution of hypochlorous acid (HClO) and hypochlorite ion (ClO-) in the solution and consequently effectiveness of the disinfection. Formation of perchlorates has also remarkably dropped in 100 L compared to 50 L. Second part of this work aimed to follow the degradation rates of emerging contaminants (caffeine and paraben) in swimming pool water. Results showed that electrolytic oxidation is capable of removing more than 93% of caffeine and 92% of butyl paraben (BuPa) in 2 hours of electrolysis at I= 3 A using Ti / Pt.


identifier: Gupta, Rishabh  (2016). Physiology-based Quality-of-Experience Assessment for Next Generation Multimedia Technologies.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en télécommunications, 176 p.

subject:
quality-of-experience
hybrid brain-computer interfaces
electroencephalography
functional near-infrared spectroscopy
human factors

abstract:
As new multimedia technologies emerge, telecommunication service providers have to provide
superior user experience in order to remain competitive. To this end, quality-of-experience (QoE)
perception modelling and measurement has become a key priority. QoE models rely on three influence
factors: technological, contextual and human. Existing solutions have typically relied on the
former two and human influence factors (HIFs) have been mostly neglected due to difficulty in measuring
them. In this thesis, we show that measuring HIFs is important for QoE measurement and
propose the use of hybrid brain-computer interfaces (hBCIs) for objective measurement of perceived
QoE for multimedia technologies, such as affective music videos and text-to-speech systems.
For the development of hBCIs, we explore the use of two neuroimaging techniques, namely electroencephalography
(EEG) and functional near-infrared spectroscopy (fNIRS), to better understand
neuronal and cerebral haemodynamic changes resultant from multimedia signals of varying quality.
Neural correlates of several QoE dimensions were derived and validated on the publicly available
DEAP and PhySyQX databases. In general, the parameters derived from EEG and fNIRS indicated
correlation between neural activation, in various cortical regions, and signal quality. These individual
features derived from EEG and fNIRS were then used to develop classifiers to establish their
usability as QoE monitoring modalities. The parameters derived from EEG and fNIRS showed to
accurately classify different user states and subjective QoE dimensions. Interestingly, features derived
from heart rate, extracted from fNIRS signals, also showed to encode information regarding
HIFs. Next, fusion of EEG, fNIRS, and fNIRS-derived heart rate parameters showed to accurately
represent several QoE dimensions, including those related to listener affective states.
Finally, the subjectively-derived HIFs were incorporated into the QoE model, leading to gains
of up to 26.3% relative to utilizing only technological factors. When utilizing HIFs derived from
individual modalities, on the other hand, gains of up to 14.5%, 10.6% and 4% were observed for EEG,
fNIRS and heart rate, respectively. The hybrid model based on features from all three physiological
modalities resulted in gains of up to 18.4%. These findings show the importance of using BCIs
and hBCIs in QoE measurement and also highlight that further improvement may be warranted
once improved HIFs correlates are found from EEGs and/or other neurophysiological modalities.
It is hoped that these findings will help researchers build better instrumental QoE models that
incorporate technological, contextual, and human influence factors.