Vers une nouvelle conception des filtres biologiques pour l'élimination du manganèse dans le traitement des eaux souterraines

RÉSUMÉ La biofiltration constitue un procédé robuste, écologique et économique pour le traitement des eaux souterraines contenant du manganèse (Mn). Bien que cette technologie soit utilisée depuis plus d’un siècle, les méthodes de dimensionnement et d’exploitation des biofiltres reposent encore largement sur des approches empiriques, notamment l’utilisation du temps de contact ou de la vitesse de filtration. Cette situation est particulièrement critique dans le contexte québécois, où les installations de traitement peuvent opérer à des vitesses de filtration élevées et où les exigences réglementaires concernant la concentration résiduelle en Mn dans l’eau potable se sont resserrées au cours des dernières années. Malgré l’utilisation répandue de la biofiltration, plusieurs aspects fondamentaux du fonctionnement de ces systèmes demeurent mal compris, notamment le rôle relatif des mécanismes biologiques et minéralogiques impliqués dans l’oxydation du Mn(II), l’influence de la présence concomitante de fer (Fe) et l’impact de l’hydraulique sur la performance globale du procédé. L’objectif principal de cette thèse est de revisiter les méthodes de conception et d’exploitation des biofiltres pour le traitement du manganèse dans les eaux souterraines en s’appuyant sur une meilleure compréhension des mécanismes hydrobiogéochimiques contrôlant le fonctionnement du procédé. Pour atteindre cet objectif, ce travail de recherche a combiné l’utilisation de techniques avancées de microbiologie, de minéralogie, de géochimie et de biochimie avec des expériences pilotes à différentes vitesses de filtration. Cette approche intégrée a permis de relier les mécanismes se produisant à l’échelle du média filtrant avec la dynamique hydraulique des biofiltres et d’identifier des leviers de conception permettant d’améliorer les méthodes de dimensionnement du procédé. Dans un premier temps, les travaux ont porté sur le développement d’une méthode de digestion permettant de quantifier de manière fiable les oxydes de manganèse (MnOx) présents dans le recouvrement du média filtrant. En effet, les oxydes de manganèse, notamment les phases de type MnO₂, sont peu solubles dans les acides utilisés dans plusieurs protocoles analytiques conventionnels, ce qui peut conduire à une sous-estimation de la quantité réelle de Mn accumulée dans les biofiltres. Les résultats obtenus ont permis de proposer une approche analytique permettant d’améliorer la quantification des MnOx dans les milieux solides et de mieux documenter l’évolution du recouvrement du média au cours du fonctionnement des biofiltres.