Avec 67 Mt de fumiers de bovins récupérés chaque année, la France possède un gisement considérable de substrats agricoles mobilisables et valorisables par méthanisation. Le procédé de méthanisation par voie sèche, discontinu, avec recirculation de lixiviat semble être le mieux adapté à la valorisation de ce type de substrats à forte teneur en matière sèche (>20%). A l’heure actuelle, ce procédé est cependant rare sur le territoire. Afin de permettre et de pérenniser le développement de cette technologie, des verrous techniques et scientifiques doivent être levés, notamment ceux qui portent sur la recirculation des lixiviats. L’objectif de cette thèse est d’optimiser le procédé de méthanisation par voie sèche appliquée aux effluents agricoles (principalement fumiers de bovins), afin d’atteindre les conditions les plus favorables à la production d’un maximum de biogaz, de façon constante et en un minimum de temps en considérant les contraintes relatives à un tel procédé. Dans un premier temps, l’objectif a été de comprendre le rôle du lixiviat dans ce procédé de digestion anaérobie discontinu, d’un point de vue biologique. Pour se faire quatre lixiviats ayant différentes origines ont été utilisés. Deux d’entre eux étaient biologiquement actifs (lixiviats provenant de méthaniseurs) et les deux autres stérilisés. Du point de vue abiotique, il a été montré que pour favoriser la digestion anaérobie, le lixiviat devait avoir un pH adéquat, présenter une concentration suffisante de nutriments et un fort pouvoir tampon. D’un point de vue biotique, deux communautés distinctes de microorganismes évoluent dans le lixiviat et dans le fumier, sans aucun transfert entre ces deux environnements, limitant ainsi le rôle d’inoculation souvent attribué au lixiviat. Dans un deuxième temps, la réalisation d’un plan d’expérience a permis d’identifier, au laboratoire sur pilotes instrumentés, des paramètres de recirculation du lixiviat qui influencent les vitesses de production de méthane. Ainsi, le temps entre les recirculations, le volume recirculé et le ratio lixiviat/substrat initialement introduit jouent sur la forme des cinétiques de production. En actionnant l’un ou l’autre de ces leviers, il serait potentiellement possible d’adapter la production de méthane, en fonction des besoins des systèmes de valorisation du biogaz en place sur ces installations. Enfin, la méthode de tomographie de résistivité électrique a été utilisée, à grande échelle, pour suivre la percolation du lixiviat à travers le massif et mettre en évidence les disparités de distribution du lixiviat dans le massif. Cette étude a montré que la géométrie du réseau de recirculation du lixiviat, consistant en un tuyau perforé parcourant la surface du massif dans le sens de la longueur, ne permettait pas un écoulement homogène du lixiviat dans les digesteurs. Certaines zones n’ayant jamais été humidifiées, la production de méthane se trouve réduite et les rendements amoindris. Cette thèse s’articule autour de plusieurs analyses multi-échelles et complémentaires permettant de mieux comprendre le rôle du lixiviat, d’améliorer sa mise en œuvre et son utilisation pour la digestion anaérobie des fumiers de bovins. / With 67 Mt of cattle manure recovered every year, France has a significant source of agricultural waste to be valorised through anaerobic digestion. Batch mode solid state anaerobic digestion (SSAD) process with leachate recirculation seems to be the most suitable technique to valorise that kind of waste, which contains high total solid content (>20%). Currently, this process is rare on French territory. To develop batch mode SSAD, various technical and scientific barriers must be straightened out, and particularly those concerning leachate recirculation. The objective of this work is to optimize SSAD of agricultural was (mostly cattle manure) by pointing out the most favorable settings that allow producing high volumes of biogas, steadily and within a short time, taking into account the particular technical constraints of this process. First of all, the objective was to better understand the biological role of leachate in the batch mode SSAD process. For that purpose, four leachates with different origins were used. Two of them were biologically active (from existing digesters) while the two others were sterilized. It was demonstrated an effective anaerobic digestion was favored by using a leachate gathering the following abiotic characteristics: an adequate pH, a strong buffer capacity and the presence of the right concentration of nutrients. From the biotic point of view, dedicated communities of microbes were in progress in each liquid and solid environment with nested relationship. The role of leachate as inoculum was then limited. In a second part, the influent parameters of leachate recirculation were identified at laboratory scale, by setting up a design of experiment. It was found that the elapsed time between two recirculations, the recirculated volume of leachate and the initial leachate to substrate ratio introduced in the reactor could modify the shape of methane production rate. By changing one or several of those parameters, it would be possible to control and adapt methane production rate to the specific constraints of one SSAD plant. In the last part, the Electrical Resistivity Tomography (ERT) method was used, at full scale, to monitor the leachate percolation through the solid waste and highlight leachate distribution disparities. It was shown the leachate injection system consisting of a perforated pipe laying on the solid top surface was not efficient to evenly moisten the solid waste. From that observation, it was concluded that cumulated methane production could be improved if areas that were not in contact with leachate could be moistened by using another leachate injection system. This manuscript was based on several multi-scale and complementary analyses that allow a better understanding of the role of leachate during SSAD process and an improvement of its utilization for the anaerobic digestion of cattle manure.

Les études sur les capacités cardiorespiratoires de femmes atteintes de fibromyalgie (FM) présentent des résultats contradictoires. De plus, aucune étude n’a évalué les capacités à reproduire les mesures physiologiques cardiorespiratoires de cette population, 24 heures suivant un test d’effort maximal. Objectifs : Les objectifs de cette étude étaient les suivants: 1) de décrire la capacité cardiorespiratoire de femmes atteintes de FM et 2) de décrire leurs capacités à reproduire les mesures physiologiques cardiorespiratoires 24 heures suivant une épreuve d’effort cardiorespiratoire maximal. Méthodes : Douze femmes FM ont été soumises à deux épreuves d’effort cardiorespiratoire maximal (T1 et T2) sur tapis roulant (protocole BSU/Bruce ramp) à 24 heures d’intervalle, jusqu’à épuisement. La collecte des échanges gazeux et ECG ont été faites de façon continue tout au long des deux tests. Le lactate sanguin, la pression artérielle, l’intensité de la douleur et la perception de la difficulté à l’effort ont également été évalués. Le Questionnaire révisé sur l’impact de la fibromyalgie (QRIF), l’Échelle de kinésiophobie de Tampa, version canadienne-française (EKT-CF), et le questionnaire international sur le niveau d’activité physique, version canadienne-française (IPAQ) ont été utilisés afin de mieux décrire les caractéristiques des participantes. Des procédures statistiques non paramétriques ont été utilisées pour les besoins d’analyses statistiques. Résultats : En comparant les résultats du volume d'oxygène crête (VO2crête) obtenus au T1 aux valeurs normatives, 75% des participantes se situaient sous la catégorie “Passable”, dont 25% sous le seuil de la catégorie “Très pauvre”. Toutefois, en considérant le niveau de sévérité de la FM et comparant les participantes légèrement et modérément affectées au T1 et T2, les résultats ont démontré une différence significative de la VO2crête au T2 (30,4 ± 3,3 vs 22,9 ± 4,7 ml O2·min−1·kg−1) et de la VO2 au seuil anaérobie ventilatoire (VO2SAV) au T1 (24,0 ± 4,0 vs 18,5 ± 4,4 ml O2·min−1·kg−1) et T2 (24,9 ± 3,2 vs 18,7 ± 4,5 ml O2·min−1·kg−1). Finalement, aucune différence significative au niveau de la VO2crête (25,5 ± 5,3 vs. 26,5 ± 5,3 ml O2·min−1·kg−1, p > 0,05) et de la VO2SAV (21,2 ± 4,8 vs. 21,7 ± 4,8 ml O2·min−1·kg−1, p > 0,05) n’a été observée entre T1 et T2. Conclusion : Soixante-quinze pour cent des participantes avaient une capacité cardiorespiratoire inférieure à celle de la population générale. De plus, les capacités cardiorespiratoires des participantes semblent être affectées par le niveau de sévérité de la FM. Finalement, les résultats de cette étude ne démontrant pas de différence significative des capacités cardiorespiratoires entre T1 et T2, suggèrent qu’il n’y a pas de difficulté à reproduire les mesures physiologiques 24 heures suivant le premier test d’épreuve maximale. / Abstract: Studies on cardiorespiratory fitness (CRF) among women with fibromyalgia (FM) has been documented with some contradictory results. Furthermore, no research has looked at the capacity to reproduce the cardiorespiratory physiology measurements 24 hours following a maximal CRF test, in FM patients. Objectives: The objective of this study was twofold: 1) to describe the cardiorespiratory fitness of women with fibromyalgia (FM); and 2) to describe the reproducibility of cardiorespiratory physiological parameters 24 hours following a maximal exercise test. Method: Twelve FM women underwent two maximal exercise tests (T1 and T2) on a treadmill (BSU/Bruce ramp protocol) 24 hours apart, until volitional exhaustion. Gas exchange and ECG were continuously monitored during both tests. Blood lactate, blood pressure, pain intensity and rate of perceived exertion, were also assessed. The Revised Fibromyalgia Impact Questionnaire (FIQR), the Tampa Scale of Kinesiophobia (TSK-CF) and the International Physical Activity Questionnaire (IPAQ) were used to further characterize the participants. Non-parametric statistical procedures were used for statistical analysis. Results: When comparing the peak oxygen uptake (VO2peak) results to normative values at T1, 75% of the participants were below the “Fair” category, of which 25% were below the “Very Poor” category. However, when taking into consideration the FM severity level and comparing mildly to moderately affected participants at T1 and T2, the results showed a significant difference in VO2peak at T2 (30.4 ± 3.3 vs 22.9 ± 4.7 ml O2·min−1·kg−1) and in VO2 at ventilatory anaerobic threshold (VO2VAT) at T1 (24.0 ± 4.0 vs 18.5 ± 4.4 ml O2·min−1·kg−1) and T2 (24.9 ± 3.2 vs 18.7 ± 4.5 ml O2·min−1·kg−1). Finally, no significant differences in VO2peak (25.5 ± 5.3 vs. 26.5 ± 5.3 ml O2·min−1·kg−1, p > 0.05) and VO2VAT (21.2 ± 4.8 vs. 21.7 ± 4.8 ml O2·min−1·kg−1, p > 0.05) were found between T1 & T2. Conclusion: Seventy-five percent of the participants had a cardiorespiratory fitness level lower than the general population. Furthermore, the cardiorespiratory capacities of the participants seemed to be affected by their FM severity level. Finally, the results of this study showed no significant difference in cardiorespiratory fitness between T1 and T2, therefore indicating no cardiorespiratory difficulty to reproduce the physiological measurements 24 hours following a maximal exercise test.

Ces dernières années ont vu un intérêt croissant pour l'application de nanoparticules de chalcogénure (IP) (par exemple Se, Te) dans divers secteurs industriels, y compris l'énergie, les aciers, le verre et le raffinage du pétrole. Le chalcogénure métallique fluorescent (par exemple CdSe, CdTe) NPs sont utilisés dans les cellules solaires, les capteurs optoélectroniques et aussi dans le domaine de la biologie et de la médecine pour l'imagerie ou de détection comprenant biolabelling. En outre, en raison de la forte toxicité des oxyanions chalcogènes (à savoir, sélénite, séléniate, tellurites et tellurate), leur libération dans l'environnement est très préoccupante. Ainsi, mettre l'accent a été donné dans cette thèse sur le développement d'un nouveau procédé de synthèse microbienne des NPs chalcogénures en combinant le traitement biologique des eaux usées Se / Te contenant avec biorecovery de Se / Te sous la forme de Se / Te chalcogénures NPs.Une attention particulière a été accordée pour étudier l'effet des métaux lourds (par exemple Cd, Zn et Pd) co-contaminants sur bioréduction sélénite par anaérobie granulaire boues. boue anaérobie granulaire capable de réduire sélénite de séléniure de, en présence de Cd a été enrichie pour la synthèse microbienne de CdSe IP. Il était évident que lorsque Cd est présent avec sélénite, soit il forme un complexe de Se-Cd par adsorption sur biogène Se (0) des nanoparticules après EME-oxyanion ou bioréduction il réagit avec le séléniure aqueux (HSe-) pour former CdSe. Les spectres d'absorption et de fluorescence de la phase aqueuse à confirmer la présence de CdSe IP dans la phase aqueuse. spectroscopie Raman et X-ray spectroscopie de photoélectrons (XPS) analyse l'appui de cette constatation. La formation d 'une couche alliée de CdSxSe1-x à l'interface entre le noyau et CdS CdSe shell dans la boue a également été observée. Des études détaillées sur les substances polymères extracellulaires (EPS) révèlent que la teneur en protéines et en polysaccharides comme augmenté dans les EPS extraites de boues enrichi tandis que les substances humiques comme diminué. chromatographie d'exclusion de taille (SEC) des EPS révèle en outre une empreinte distincte pour les protéines et les substances humiques-like, avec une augmentation de haute teneur en protéines comme poids moléculaire et l'apparition de nouveaux pics pour les substances humiques comme dans les EPS après l'enrichissement.Anaérobie des boues lit granulaire (UASB) à courant ascendant a été utilisé pour la première fois pour le retrait continu de tellurite des eaux usées synthétique et la récupération du Te comme biogénique Te (0). La spectroscopie aux rayons X à dispersion d'énergie (EDS), diffraction des rayons X (XRD) et analyse spectroscopique Raman de la biomasse a confirmé le dépôt de Te (0) dans la biomasse. Il était évident que la majorité du Te (0) a été piégé principalement dans l'EPS entourant la biomasse, qui peut être facilement séparé par centrifugation / Recent years have seen a growing interest in the application of chalcogenide nanoparticles (NPs) (e.g. Se, Te) in various industrial sectors including energy, steels, glass and petroleum refining. The fluorescent metal chalcogenide (e.g. CdSe, CdTe) NPs are used in solar cells, optoelectronic sensors and also in the field of biology and medicine for imaging or sensing including biolabelling. Moreover, due to the high toxicity of chalcogen oxyanions (i.e., selenite, selenate, tellurite and tellurate), their release in the environment is of great concern. Thus, emphasize was given in this thesis on the development of a novel microbial synthesis process of chalcogenide NPs by combining biological treatment of Se/Te-containing wastewaters with biorecovery of Se/Te in the form of Se/Te chalcogenides NPs.A special focus was given to study the effect of heavy metal (e.g. Cd, Zn and Pd) co-contaminants on selenite bioreduction by anaerobic granular sludge. Anaerobic granular sludge capable of reducing selenite to selenide in the presence of Cd was enriched for the microbial synthesis of CdSe NPs. It was evident that when Cd is present along with selenite, it either forms a Se-Cd complex by adsorption onto biogenic Se(0) nanoparticles after Se-oxyanion bioreduction or it reacts with aqueous selenide (HSe-) to form CdSe. The absorption and fluorescence spectra of the aqueous phase confirm the presence of CdSe NPs in the aqueous phase. Raman spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis support this finding. The formation of an alloyed layer of CdSxSe1-x at the interface between the CdSe core and CdS shell in the sludge was also observed. Detailed studies on the extracellular polymeric substances (EPS) reveal that the protein and polysaccharide-like content increased in the EPS extracted from enriched sludge while humic-like substances decreased. Size exclusion chromatography (SEC) of EPS further reveals a distinct fingerprint for proteins and humic-like substances, with increase in high molecular weight protein-like and the appearance of new peaks for humic-like substances in the EPS after the enrichment.An upflow anaerobic granular sludge bed (UASB) reactor was used for the first time for continuous removal of tellurite from synthetic wastewater and the recovery of Te as biogenic Te(0). Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopic analysis of biomass confirmed the deposition of Te(0) in the biomass. It was evident that the majority of the Te(0) was trapped predominantly in the EPS surrounding the biomass, which can be easily separated by centrifugation

Ce travail est consacré à une étude approfondie sur le procédé anaérobie pour les traitements des eaux usées et des boues d’épuration afin d’améliorer la production de biogaz. Tout d’abord, l’hydrodynamique dans un réacteur de type circulation interne (IC) a été caractérisée en maquette froide. La vitesse de circulation du liquide dépend davantage de l’écoulement de la phase gazeuse que de la phase solide, l’influence du débit de liquide entrant étant la plus faible des trois. La taille de bulles influe non seulement sur la vitesse de cisaillement mais aussi sur les types d’interactions bulles-granules. L’effet de la vitesse de cisaillement moyenne a ensuite été étudié dans une cuve agitée en maquette chaude. Lorsque la vitesse de cisaillement moyenne augmente, le débit de biogaz passe par un maximum pour une valeur de 6,8 s-1, tandis que le pourcentage en méthane diminue continument. La déformation des granules est provoquée par cisaillements et collisions, à masse volumique constante. A micro-échelle, une déformation locale d’un cratère à l’extrémité du canal d’acheminement du biogaz est découverte pour la première fois. Le diamètre de ce cratère est proportionnel à la taille du pore, et la pression de compression de la microbulle estimée par la loi de Laplace est comparable à la résistance mécanique du granule mesurée par la pénétrométrie. Enfin, l’étude s’attache aux propriétés rhéologiques de boues digérées hautement concentrées. Un comportement rhéofluidifiant à seuil de contrainte, et un comportement viscoélastique sont caractérisés. L’effet de la concentration en solide est beaucoup plus significatif que celui de la température. En outre, des expériences d’impact par une bille sur des boues digérées hautement concentrées sont réalisées pour révéler sa dynamique transitoire. Un modèle simplifié de la trainée est établi pour estimer le module de l’élasticité ainsi que la viscosité d’impact / This work is devoted to an in-depth study on the anaerobic process for wastewater treatment and sewage sludge treatment in order to intensifier the biogas production. Firstly, the hydrodynamic in an internal circulation (IC) reactor was characterized by experimental simulation. The relative importance of the three phases is ordered as gas > solid > liquid for the liquid circulation velocity. The bubble size affects not only the shear rate but also the types of interaction between bubbles and granules. Then the effect of mean shear rate was investigated in an anaerobic stirred tank reactor. With the increase of mean shear rate, the flow rate of biogas passes through a maximum at the shear rate of 6.8 s-1, while the methane content decreases continuously. The deformation of granules is induced by shear stress and collisions; nevertheless the granules’ density remains unchanged. At micro-scale, a local deformation in the shape of crater located at the extremity of biogas channel was detected for the first time. The cater diameter is proportional to the size of gas exit pore, and the compression pressure of the microbubble estimated by the Young-Laplace equation compares favorably with the mechanical resistance of granule measured by penetrometry. Finally, the study focused on the rheological properties of the highly concentrated digested sludge. A shear thinning behavior with a yield stress and a viscoelastic property were characterized. The effect of solid content is much more significant than that of temperature. Furthermore, the experiments of a sphere impacting on the highly concentrated digested sludge were carried out to reveal its transient dynamics. A simplified drag force model was established to estimate the elasticity modulus and the impact viscosity

La digestion anaérobie, procédé d’énergie renouvelable, constitue un atout indéniable de récupération des flux matière et énergie des déchets en réponse aux enjeux du développement durable. Ainsi, la présente étude a pour objectif de contribuer à la compréhension des mécanismes qui gouvernent l’environnement réactionnel de digestion en anaérobie et les effets des digestats sur la matrice bio-physico-chimique des sols à vocation agricole. Le développement des tests de lixiviation en réacteurs contrôlés aérobie et anaérobie, les modes de mobilisation du contenu organo-minéral des substrats et la valorisation du biogaz pour l’équarrissage des bêtes ont été réalisés. Les verrous techniques et physico-chimiques entachant la digestion anaérobie des déchets d’ananas ont été levés et optimisés grâce à des co-substrats notamment les bouses de vache et les cendres. Les digestats ont été apportés sur des sols agricoles, des sols des zones de forêts et des milieux sans matière organique ni argiles et ont permis de déceler les limites d’utilisation des digestats et les interactions avec les fractions organiques et minérales du sol. Cette étude montre ainsi, l’importance de développer la filière de méthanisation pour une élimination durable des déchets organiques. / Anaerobic digestion, a renewal energy process, constitutes an undeniable asset of material and energy flows recovering in response to sustainable development issues. Thus, the aim of this current study was to contribute to the understanding of mechanisms that govern the reactive environment of anaerobic digestion and the effects of digestates on the biophysico- chemical matrix of agricultural soils sector. The running of leaching tests in aerobic and anaerobic controlled reactors, organo-mineral mobilizations patterns of the substrates and the valorization of biogas in slaughtered animals knackering have been realized. The physicochemical and technical locks tarnishing the pineapple wastes anaerobic digestion have been lifted and optimized through the co-substrates including cattle manure and ashes. The digestates have been brought on agricultural soils, forests areas soils and medium free of organic matter and clays and allowed to detect the limits of digestates uses and the interactions with organic and mineral fractions of soils. This study, thus show, the importance to develop the anaerobic digestion sector for a sustainable removal of organic wastes.

La production de biogaz par digestion anaérobie (DA) est une technologie renouvelable de longue date et un bioprocessus en croissance continue. Les matériaux lignocellulosiques (ML) présentent plusieurs caractéristiques qui les rendent particulièrement attrayants parmi les substrats couramment employés dans les bioréacteurs anaérobies. En particulier, les ML sous la forme de résidus agricoles ont été reconnus comme la matière première la plus appropriée pour la production de biométhane en raison de leur haute disponibilité, de leur faible coût, de leur durabilité et de leur absence de concurrence directe avec la production alimentaire. Cependant, leur récurrence à la conversion biologique entrave leur application pour la production à grande échelle de biogaz et nécessite une étape de prétraitement pour améliorer la dégradabilité microbienne. En plus des défis posés par la structure lignocellulosique, la fourniture de oligo-éléments (OE) a souvent été jugée insuffisante dans les digesteurs de biogaz. La croissance microbienne dépend de la disponibilité et de la quantité optimale de plusieurs OE spécifiques, constituants essentiels des cofacteurs dans les systèmes enzymatiques impliqués dans la biochimie de la formation de méthane. Différents prétraitements chimiques, à savoir le N-méthylmorpholine-N-oxyde (NMMO), le procédé organosolv et un prétraitement alcalin à l'aide de NaOH ont été étudiés pendant plusieurs expériences en lots pour améliorer les rendements de production de biogaz différents peau, coquille de fève de cacao et paille de blé). Les changements dans la cristallinité de la cellulose, la valeur de rétention d'eau et la composition chimique ont été évalués pour mieux évaluer l'effet des différents prétraitements étudiés sur la structure lignocellulosique. En outre, l'addition de différentes doses de Fe, Co, Ni et Se sur la DA de paille de riz a été étudiée, évaluant l'influence de l'origine de l'inoculum, ainsi que la performance et l'effet synergique de la combinaison d'un prétraitement alcalin avec addition de trace éléments avant la DA de paille de riz. La biodisponibilité des OE lors des tests de potentiel de biométhane par lots a également été évaluée en appliquant une technique d'extraction séquentielle. Les trois prétraitements étudiés étaient des méthodes efficaces pour améliorer la production de biométhane à partir des LM utilisées. Le rendement en biométhane de la DA de paille de riz a augmenté de 82 et 41% respectivement après le NMMO et le prétraitement organosolv. Comparé à la même expérience, le prétraitement NMMO, organosolv et NaOH a permis d'améliorer la DA de la paille de blé, ce qui affecte différemment la composition chimique de la LM brute. Le rendement cumulatif de production de biométhane de 274 mL de CH4/g VS obtenu avec la paille de blé non traitée a été augmenté de 11% par le prétraitement du NMMO et de 15% par le prétraitement organosolv et alcalin. Les coquilles de noisettes et de fèves de cacao, qui n'avaient jamais été étudiées auparavant comme substrats AD, présentaient un bon potentiel de production de biogaz, avec des rendements cumulatifs de biométhane respectivement de 223-261 et 199-231 mL CH4/g VS pour les charges non traitées. Cependant, les prétraitements à la fois de NMMO et d'organosolv n'ont pas conduit à une amélioration significative des rendements de production de biométhane de ces deux LM. La supplémentation des OE n'a eu qu'un effet mineur par rapport aux méthodes de prétraitement. L'ajout de Fe, Co, Ni et Se n'a pas entraîné d'amélioration significative de la DA de paille de riz, alors que l'utilisation du prétraitement de NaOH au cours de la même expérimentation a provoqué une augmentation considérable de la DA, augmentant la production de biogaz de 21%. L'effet négligeable observé après la supplémentation des OE sur la paille de riz pourrait être lié à sa structure lignocellulosique complexe qui nécessite une amélioration de l'hydrolyse qui est l'étape limitante / Biogas production via anaerobic digestion (AD) is a long-standing renewable technology and a continuously growing bioprocess worldwide. Lignocellulosic materials (LMs) present several features that make them especially attractive among the organic substrates commonly employed in anaerobic bioreactors. In particular, LMs under the form of agricultural residues have been acknowledged as the most suitable feedstock for biomethane production due to their high availability, low cost, sustainability and no direct competition with food and feed production. However, their recalcitrance to biological conversion hinders their application for full-scale production of biogas and requires a pretreatment step to improve the LM microbial degradability. In addition to the challenges posed by the lignocellulosic structure, the supply of trace elements (TEs) has often been found insufficient within biogas digesters. The microbial growth depends on the availability and optimal amount of several specific TEs, which are essential constituents of cofactors in enzyme systems involved in the biochemistry of methane formation. Different chemical pretreatments, namely the solvent N-methylmorpholine-N-oxide (NMMO), the organosolv process, and an alkaline pretreatment using NaOH, were investigated during several batch experiments to enhance the biogas production yields from different LMs (i.e. rice straw, hazelnut skin, cocoa bean shell and wheat straw). Changes in the cellulose crystallinity, water retention value and chemical composition were assessed to better evaluate the effect of the different pretreatments studied on the lignocellulosic structure. Furthermore, the addition of different doses of Fe, Co, Ni and Se on the AD of rice straw was studied, evaluating the influence of the inoculum origin, as well as the performance and synergistic effect of combining an alkaline pretreatment with the addition of trace elements prior to the AD of rice straw. The bioavailability of TEs during batch biomethane potential tests was also evaluated applying a sequential extraction technique. The three pretreatments investigated were effective methods for enhancing the biomethane production from the employed LMs. The biomethane yield from the AD of rice straw increased by 82 and 41% after the NMMO and organosolv pretreatment, respectively. When compared within the same experiment, the NMMO, organosolv and NaOH pretreatment were able to improve the AD of wheat straw, differently affecting the chemical composition of the raw LM. The cumulative biomethane production yield of 274 mL CH4/g VS obtained with the untreated wheat straw was enhanced by 11% by the NMMO pretreatment and by 15% by both the organosolv and alkaline pretreatment. Hazelnut skin and cocoa bean shell, which were never investigated before as AD substrates, showed a good potential for biogas production, with cumulative biomethane yields of 223-261 and 199-231 mL CH4/g VS, respectively, for the untreated feedstocks. However, both NMMO and organosolv pretreatments did not lead to a significant enhancement of the biomethane production yields from these two LMs. The TE supplementation had only a minor effect compared to the pretreatment methods. The addition of Fe, Co, Ni and Se did not result in a significant improvement of the AD of rice straw, whereas the use of the NaOH pretreatment, during the same batch experiment, caused a considerable enhancement of the AD, increasing the biogas production yield by 21%. The negligible effect observed after TE supplementation on the AD of rice straw could be linked to its complex lignocellulosic structure, which requires an enhancement of the hydrolysis, which, rather than the methanogenesis, is the rate-limiting step

"Thèse en cotutelle pour le doctorat en génie des eaux Université Laval Québec et Ghent University à Ghent, Belgique" / La prise de conscience croissante de l’épuisement des ressources naturelles, la demande croissante de nutriments et d’énergie pour la production alimentaire et les normes de plus en plus strictes de décharge des nutriments et de fertilisation, ont donné lieu à une attention accrue pour la récupération des nutriments à partir des déchets municipaux et agricoles. Cette thèse de doctorat vise à stimuler la transition vers une bio-économie en fournissant des (moyens à développer des) stratégies durables pour la récupération des nutriments à partir des déchets organiques après la production de bio-énergie par la digestion anaérobie. Une attention particulière est accordée à la valorisation des produits récupérés comme substituts renouvelables aux engrais chimiques et/ou comme engrais organo-minéraux durables dans l'agriculture. Trois phases de recherche complémentaires ont été exécutées: 1) l'inventaire des technologies et la classification des produits, 2) l'évaluation de la valeur des produits, 3) la modélisation et l’optimisation des procédés. Dans la première phase, une revue systématique des technologies et une classification des produits ont été réalisées. Dans la seconde phase, la caractérisation des produits et des analyses de bilan de masse dans des stations de récupération des ressources de l’eau et des déchets (StaRRED) à grande échelle ont été exécutées. Une évaluation économique et écologique de différents scénarios de bio-fertilisation a été menée et les scénarios les plus durables ont été sélectionnés pour une évaluation agronomique réalisée ultérieurement sur le terrain et à l'échelle de la serre. Dans la troisième phase, une librairie générique de modèles pour la récupération des nutriments a été élaborée visant à modéliser la quantité et la qualité d'engrais. Une meilleure compréhension de la performance et des interactions des processus unitaires a été obtenue par des analyses de sensibilité globale. Les modèles ont été utilisés avec succès comme un outil pour la configuration et l'optimisation des chaînes de traitement. Sur la base de toutes les connaissances acquises, une feuille de route générique pour la mise en place des stratégies de récupération des nutriments en fonction des marchés et des législations des engrais, et de la caractérisation des déchets a été développée. En tant que telle, la présente thèse développe les concepts de fermeture maximale des cycles des nutriments dans une approche du berceau-au-berceau. Le travail apporte des preuves importantes de l'impact positif des produits récupérés sur l'économie, l'agronomie et l'écologie de la production végétale intensive. En outre, cette thèse offre des informations et des outils fondamentaux pour faciliter la mise en œuvre et l'optimisation des stratégies durables de récupération des nutriments. Ces résultats ouvrent de nouvelles possibilités pour une croissance économique durable axée sur les ressources biologiques et créent ainsi une situation gagnant-gagnant pour l'environnement, la société et l'économie en Belgique, au Canada, et au-delà. / The increasing awareness of natural resource depletion, the increasing demand of nutrients and energy for food production, and the more and more stringent nutrient discharge and fertilization levels, have resulted in an increased attention for nutrient recovery from municipal and agricultural wastes. This PhD dissertation aims at stimulating the transition to a bio-based economy by providing (tools to develop) sustainable strategies for nutrient recovery from organic wastes following bio-energy production through anaerobic digestion (= bio-digestion waste). Particular attention is paid to the valorization of the recovered products as renewable substitutes for chemical fertilizers and/or as sustainable organo-mineral fertilizers in agriculture. Three complementary research phases were conducted: 1) technology inventory and product classification, 2) product value evaluation, 3) process modelling and optimization. In the first phase, a systematic technology review and product classification was performed. In phase 2, product characterizations and mass balance analyses at full-scale waste(water) resource recovery facilities (WRRFs) were executed. An economic and ecological evaluation of different bio-based fertilization scenarios was conducted and the most sustainable scenarios were selected for subsequent agronomic evaluation at field and greenhouse scale. In phase 3, a generic nutrient recovery model library was developed aiming at fertilizer quantity and quality as model outputs. Increased insights in unit process performance and interactions were obtained through global sensitivity analyses. The models were successfully used as a tool for treatment train configuration and optimization. Based on all acquired knowledge, a generic roadmap for setting up nutrient recovery strategies as function of fertilizer markets, legislations, and waste characterization was established. As such, the present dissertation further develops the concepts of maximally closing nutrient cycles in a cradle-to-cradle approach. The work reveals important evidence of the positive impact of recovered products on the economy, agronomy, and ecology of intensive plant production. Moreover, it provides the fundamental information and tools to facilitate the implementation and optimization of sustainable nutrient recovery strategies. All of this may open up new opportunities for sustainable and more bio-based economic growth and thus create a win-win situation for the environment, the society, and the economy in Belgium, Canada, and beyond.

L'industrie des abattoirs fait face à des restrictions législatives concernant la disposition de leurs résidus. Étant donné que le marché des farines animales est à la baisse, les coûts de transport et de traitement, imposés par les équarrisseurs aux abattoirs, varient de façon imprévisible. Pour certains abattoirs, les coûts de disposition ont été tels, qu'ils sont intéressés à gérer leurs propres déchets. Quoique peu utilisée pour le traitement des résidus d'abattoir, la digestion anaérobie s'avère une alternative intéressante pour cette industrie. Ces déchets offrent un potentiel énergétique élevé grâce à leur teneur importante de lipides. Néanmoins, les lipides et les protéines sont potentiellement inhibiteurs des microorganismes anaérobies. L'objectif principal de cette thèse a été de mettre au point un procédé CSTR de digestion anaérobie des résidus d'abattoir afin d'optimiser le rendement énergétique. Cette étude à permis de mieux caractériser le substrat pour enrichir l'information disponible dans la littérature, de déceler des indicateurs d'inhibition, de trouver des critères de dimensionnement et de vérifier l'applicabilité du model ADM1 à la digestion des résidus d'abattoir. Cinq expériences ont été réalisées avec des réacteurs CSTR. Trois temps de rétention hydraulique, TRH, et quatre concentrations différentes du substrat d'alimentation, S0, ont été testés. Des résidus d'abattoir de veaux de lait (78% de viscères et 22% de sang) ont été utilisés comme substrat d'alimentation. Les résultats démontrent que des TRH longs et des charges inférieures à 0,5 kgLipides/m3·j permettent d'obtenir une performance d'épuration maximale. Pour déceler des effets d'inhibition, l'acide palmitique peut être utilisé comme l'indicateur le plus important. Le TRH semble influencer la robustesse et la performance d'épuration face à l'inhibition. L'applica-bilité de l'ADM1 pour ce type de résidus a été vérifiée. L'ADM1 a été adapté pour inclure des nouvelles fonctions d'inhibition (compétitive et non compétitive). Les modifications réa-lisées à ce modèle ont permis d'obtenir des prédictions satisfaisantes. Les résidus d'abattoir se sont avérés un substrat idéal pour la bio-méthanisation. Cepen-dant, ces procédés exigent des conditions d'opération strictes. Des procèdes anaérobies favorisant la rétention de la biomasse et une meilleure adaptation de l'ADM1 sont des études qui favoriseront le développement de cette filière.

Hydrogen production by anaerobic digestion is considered as one of tomorrow's clean energy source. Swine manure is also a big concern but as a problematic waste, a waste that could eventually be degraded by anaerobic digestion. The goal of this study was to combine these two subjects and design, operate, study and optimize an anaerobic reactor that could use a substrate with a heavy load of proteins like swine manure. To achieve these objectives, two experimental campaigns in an upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASB) as weIl as an activity test campaign in bottles were conducted on granular sludge that was thermally pre-treated. The effects of teinperature, hydraulic retenti on time, pH and the use of a citrate buffer on the productivity of hydrogen and other metabolic by-products where monitored. Temperature of 55 °C gave better results (1.85 L H2·(d·Lyl)⁻¹) than 35 °C (0.078 L H2·(d·Lyl)⁻¹) and pH 5 (3.3 L H2·(d·Lyl)⁻¹) was preferable to pH 4.5 (1.75 L H2·(d·Lyl)⁻¹) and 5.5 (2.5 L H2·(d·Lyl)⁻¹) at 55 °C. A major production of lactic acid was also measured and showed up to be a major problem that influenced negatively hydrogen productivity and yield. It was also deterrnined that a citric acid buffer was inefficient and could easily be degraded at 35 °C. FinaIly, a pH 10 choc treatment improved hydrogen productivity by 50% to reach a maximum average of 3.49 L H2·(d·Lyl⁻¹) on the day that followed the recovery of the system.

La performance en canoë-kayak de vitesse a été associée à la consommation maximale d'O2 (VO2max), au seuil lactate, ainsi qu'à l'aptitude anaérobie et à des qualités musculaires. Or, les particularités physiologiques du canoë-kayak de vitesse suggèrent que la composante périphérique du système aérobie, et plus particulièrement la capacité d'extraction d'O2 musculaire, serait un déterminant important de la performance. Une bonne compréhension des déterminants physiologiques de la performance est cruciale pour que les programmes d'entraînement et les tests utilisés pour le suivi des adaptations à l'entraînement chez les athlètes soient appropriés. Avec l'avènement d'appareils de spectroscopie dans le proche infrarouge portables et abordables, il est maintenant possible de mesurer les changements d'oxygénation musculaire (SmO2) de différents muscles actifs à l'effort. Ainsi, les objectifs des quatre articles inclus dans cette thèse étaient de caractériser les changements d'oxygénation musculaire à l'effort et en réponse à différents types d'entraînement afin de mieux comprendre le rôle des adaptations périphériques dans la performance en canoë-kayak de vitesse et d'explorer l'effet de différents types d'entraînement sur ces paramètres physiologiques et sur la performance. L'étude 1, examinant l'association entre les paramètres d'oxygénation musculaire et la performance au 200 m, 500 m et 1000 m, permet de conclure que l'extraction maximale d'O2 dans les muscles étudiés est le meilleur prédicteur de performance sur les trois distances, et suggère que l'extraction d'O2 est un meilleur prédicteur de performance que le VO2max en canoë-kayak de vitesse. Dans l'étude 2, l'évaluation de la réponse physiologique aiguë à diverses séances d'entraînement par intervalles indique que les séances d'entraînement par intervalles de sprint (SIT), comparativement aux séances d'entraînement par intervalles courts (HIIT), permettent d'induire les niveaux de SmO2 les plus faibles et d'accumuler le plus de temps à SmO2 faible, ce qui en ferait potentiellement un stimulus de choix pour générer des adaptations de la capacité d'extraction d'O2 musculaire. L'étude 3 visait à évaluer les changements d'oxygénation musculaire en réponse à un camp d'entraînement chez des athlètes élites, pour évaluer si l'entraînement actuellement prescrit chez les kayakistes suscite des adaptations périphériques. Suite au camp d'entraînement, l'amélioration de la performance sur 200 m et 1000 m était concomitante à une SmO2 réduite, suggérant une amélioration de la capacité d'extraction d'O2 chez les athlètes. Finalement, dans la dernière étude de cette thèse, l'effet d'un programme de SIT ou de HIIT sur les paramètres d'oxygénation musculaire et sur la performance au 200 m, 500 m et 1000 m a été mesuré, afin d'évaluer si les séances générant des niveaux de SmO2 faibles et soutenus présentaient un stimulus optimal pour l'amélioration de la capacité d'extraction d'O2. Le HIIT a permis d'améliorer la performance dans les trois contre-la-montre, alors que l'amélioration de performance était non significative après le SIT. Le VO2max était inchangé suite à l'entraînement, mais la désoxygénation maximale atteinte dans le contre-la-montre de 1000 m était accrue en réponse aux deux formes d'entraînement. Au 1000 m, l'amélioration de la performance avec l'entraînement était associée à l'augmentation de la désoxygénation maximale atteinte dans les muscles grand dorsal et vaste externe, spécialement dans le groupe HIIT. Alors que ces résultats ne supportent pas l'hypothèse que le SIT serait un meilleur stimulus pour générer des adaptations périphériques comparativement au HIIT, ils mettent en évidence la contribution des adaptations périphériques à la performance en kayak de vitesse. Ainsi, les résultats présentés dans cette thèse permettent une meilleure compréhension de la demande physiologique du canoë-kayak de vitesse et attestent du rôle des adaptations périphériques du système aérobie, et plus particulièrement de la capacité d'extraction d'O2 musculaire, comme déterminant physiologique de la performance. Ils permettent de confirmer que l'entraînement est associé à une augmentation de la capacité d'extraction d'O2, et que cette dernière est associée à l'augmentation de la performance. Devant ces résultats, il devient évident que l'entraînement des athlètes de canoë-kayak de vitesse devrait, entre autres, viser une optimisation des adaptations périphériques. La mesure des changements d'oxygénation musculaire à l'effort lors de tests, de séances d'entraînement et de contre-la-montre peut fournir une information précieuse sur le profil de l'athlète, permettre d'identifier les composantes physiologiques à optimiser chez l'athlète et d'évaluer sa réponse au programme d'entraînement, et serait un outil pertinent à ajouter au suivi effectué auprès des athlètes de canoë-kayak / Performance in sprint canoe-kayak has been associated with maximal O2 uptake (VO2max), lactate threshold, as well as anaerobic fitness and muscle qualities. However, the physiological peculiarities of sprint canoe-kayak suggest that the peripheral component of the aerobic system, and more precisely the muscle O2 extraction capacity, is an important determinant of performance. A good understanding of the key performance indicators is crucial to validate training programs and tests used to monitor training adaptations in athletes. With the advent of portable and affordable near infrared spectroscopy devices, it is now possible to measure changes in muscle oxygenation (SmO2) in different active muscles during exercise. Thus, the goals of the four articles included in this thesis were to characterize the changes in muscle oxygenation during exercise and in response to different types of training in order to better understand the role of peripheral adaptations in sprint canoe-kayak performance and explore the effect of different types of training on these physiological parameters and on performance. Study 1, examining the association between muscle oxygenation parameters and 200m, 500m and 1000m performance in provincial to international level canoe-kayak athletes, concludes that maximal O2 extraction in the muscles studied is the best predictor of performance over all three distances, and suggests that O2 extraction is a better predictor of performance than VO2max in sprint canoe-kayak. In Study 2, the evaluation of the acute physiological response to various interval training sessions indicated that sprint interval training (SIT), compared to short interval training (HIIT), induces the lowest SmO2 levels and cumulates the longest time at low SmO2, potentially making it a stimulus of choice to generate muscle O2 extraction adaptations, and therefore improve performance in sprint canoe-kayak. Study 3 assessed changes in muscle oxygenation in response to a 3-week training camp in a group of elite athletes, to assess whether the training usually prescribed to kayakers elicits peripheral adaptations. After the training camp, the improvement in performance over 200m and 1000m was concomitant with reduced SmO2, suggesting an improvement in O2 extraction capacity. Finally, in the last study of this thesis, the effect of a SIT or HIIT program on muscle oxygenation parameters and on performance over 200m, 500m and 1000m was measured, in order to assess whether sessions generating low and sustained levels of SmO2 present an optimal stimulus for improving O2 extraction capacity. HIIT improved performance in all three time trials, while performance improvements were trivial after SIT. VO2max was unchanged after training, but the maximum deoxygenation achieved in the 1000m time trial was increased in response to both training types. In the 1000m, the increase in performance with training was associated with the increase in maximal deoxygenation in the latissimus dorsi and vastus lateralis muscles, especially in the HIIT group. While these results do not support the hypothesis that SIT would be a better stimulus than HIIT to induce peripheral adaptations, they do highlight the important contribution of peripheral adaptations to sprint kayaking performance. Thus, the results presented in this thesis allow for a better understanding of the physiological demand of sprint canoe-kayak and attest to the role of peripheral adaptations, and more specifically of the muscle O2 extraction capacity, as a physiological determinant of performance. They confirm that training is associated with increased O2 extraction capacity, and that the latter is associated with increased performance. Given these results, it becomes clear that the training of sprint canoe-kayak athletes should aim at optimizing peripheral adaptations. Measuring changes in muscle oxygenation during exercise during tests, training sessions and time trials can provide valuable information on the athlete's profile, help identify the physiological components to be optimized and assess the athlete's response to the training program, and would be a valuable tool to add to the monitoring performed with canoe-kayak athletes.