Les stations d’épuration se tournent actuellement vers des installations de récupération d'énergie et des nutriments. Dans le même temps, elles sont soumises à une réglementation de plus en plus stricte en ce qui concerne l'environnement et la santé humaine. Face au défi ambitieux de réduire les coûts d'exploitation et les impacts environnementaux tout en garantissant la robustesse du procédé, il est nécessaire de développer des outils capables de fournir une évaluation intégrée du procédé. L’objectif de ce travail est de développer une plateforme réaliste et prédictive contenant trois aspects: la modélisation rigoureuse et dynamique de l’ensemble de la station d’épuration; l'analyse de cycle de vie aux frontières étendues pour l'évaluation des scénarios et enfin un outil d'optimisation multi-objectif efficace. La plateforme développée pour l'évaluation environnementale couplée à la modélisation dynamique a d'abord été appliquée à plusieurs cas d’étude. Ainsi des résultats de performance et d’impacts environnementaux ont été obtenus pour la séparation de l’urine à la source, la décantation primaire avancée et le traitement de l'urine par nitritation/ oxydation anaérobie de l’ammonium, et d’autres filières. Compte tenu des importants avantages de la séparation de l’urine établis par les résultats précédents, un générateur d’influents phénoménologique, flexible et dynamique a été adapté afin de fournir des données dynamiques réalistes concernant les flux d'urine et des eaux usées dans les différents scénarios de rétention d'urine. Enfin, comme la combinaison complexe de processus biologiques, chimiques et physiques conduit à un problème lourd en calcul, une étude de faisabilité (temps de calcul et fiabilité) a été réalisée sur l'optimisation multi-objectif. L'obtention d'un ensemble de solutions qui évite toute discrimination préalable entre les coûts, l'environnement et les performances ont permis la discussion des enjeux impliqués. Finalement, la plateforme complète a été appliquée à plusieurs cas d’étude et clarifie les aspects opérationnels des options plus durables en matière de gestion et de traitement des eaux usées. / Wastewater treatment plants are moving towards energy and nutrients recovery facilities. Simultaneously, they are submitted to stricter regulation with respect to environment and human health. Facing the great challenge of reducing operational costs along with the reduction of environmental impacts and the guaranty of plants robustness, tools might be developed in order to provide an integrated assessment. The goal of this work is to develop a reliable and predictive framework containing rigorous dynamic wide-plant modelling, extended boundaries life cycle assessment for scenarios evaluation and an efficient multi-objective optimization tool. The developed framework for environmental evaluation coupled to dynamic modelling was initially applied to several case studies including urine source separation, enhanced primary clarification and urine treatment by nitritation/ anaerobic ammonium oxidation, offering both performance results and environmental hotspots. Given the important benefits of the urine source separation provided by the previous results, a flexible and dynamic phenomenological influent generator was adapted in order to provide realistic dynamic data concerning urine and wastewater streams in different urine retention scenarios. Finally, as the complex combination of biological, chemical and physical processes leads to a computational expensive problem, a feasibility study (computational time and reliability) on the multi-objective optimization was conducted. Obtaining a set of solutions that avoids any prior discrimination among costs, environment and performance allowed thus the discussion of the involved trade-offs. Finally, the complete framework was applied to several case studies lightening on operational aspects of more sustainable options on wastewater management and treatment.

Le bruit affecte la santé humaine, provoquant de la gêne, des troubles du sommeil et augmentant le risque de crise cardiaque. Les quantifications de l’impact du bruit montrent que c’est un problème de santé publique et que le trafic routier en est majoritairement responsable. L’analyse du cycle de vie (ACV) est une méthode d’évaluation globale des impacts environnementaux d’un produit, d’un service ou d’un processus. Malgré la prise en compte de nombreux problèmes environnementaux, l’impact du bruit sur la santé humaine n’est pas encore correctement pris en compte dans l’ACV. L’objet de ce doctorat est d’intégrer dans l’ACV l’impact du bruit du trafic routier sur la santé humaine.Les différents éléments d’acoustique et d’épidémiologie qui permettent cette intégration sont présentés. Une analyse des méthodes existantes est conduite en les appliquant à un cas d’étude. Cela permet de comprendre les avantages et inconvénients des différentes approches tout en comparant les résultats qu’elles fournissent. Une méthode pour intégrer l’impact du bruit du trafic routier sur la santé humaine dans l’ACV est ensuite proposée. Cette méthode repose sur les logiciels de prédiction acoustique et les données rendues disponibles par la directive 2002/49/CE. Elle permet d’établir, avec une grande précision, des facteurs de caractérisations (CFs) reliant des flux élémentaires de l’inventaire ACV à un impact sur la santé humaine.La méthode est ensuite appliquée sur un échantillon de petites zones géographiques sélectionnées dans la région lyonnaise. L’application de la méthode et l’analyse des résultats apportent de nombreux enseignements sur l’existence potentielle d’une typologie pour la différentiation géographique, la meilleure forme pour la collecte d’information sur le bruit au niveau de l’inventaire ACV, la variabilité spatiale des CFs ou encore l’incertitude qui peut leur être associée. Les CFs obtenus montrent que l’intégration de l’impact du bruit en ACV pourrait doubler l’impact du transport routier sur la santé humaine. Ce doctorat identifie également des pistes de recherche. Des travaux similaires doivent être menés pour les autres moyens de transport (principalement trains et avions) pour permettre une comparaison équitable des études ACV les impliquant. Répéter la méthode dans d’autres zones géographiques, avec d’autres modèles d’émission et de propagation acoustique et/ou d’autres logiciels de propagation acoustique apporterait également des éléments intéressants. / Noise affects human health, causing annoyance, sleep disturbance and increasing the risk of cardiovascular disease. The quantification of noise impacts highlights it as a public health problem for which road traffic is mainly responsible. Life cycle assessment (LCA) is a technique to assess the environmental impacts of a product, a service or a process. Despite taking into account many environmental problems, the impact of noise on human health is not yet properly taken into account in LCA. The aim of this PhD thesis is to integrate the impact of traffic noise on human health in the LCA framework.The scientific elements of acoustics and epidemiology that allow this integration are presented. An analysis of the existing methods is conducted by applying them to a case study. This helps to understand the advantages and drawbacks of the different approaches while comparing the results they provide. A method to integrate the impact of road traffic noise on human health in the LCA framework is then proposed. The method is based on noise prediction software and data made available by the Directive 2002/49/EC. This makes it possible to establish, with great precision, characterisation factors (CFs) connecting elementary flows of the LCA inventory with an impact on human health.The method is then applied to a sample of small geographic areas selected in the region surrounding the city of Lyon (France). The application of the method and the analysis of the results provides a multitude of information regarding the potential existence of a typology for spatial differentiation, the best form for the collection of noise information at the LCA inventory level, the spatial variability of the CFs and the uncertainties that may be associated with them. The CFs obtained show that integrating the impact of noise into LCA could double the impact of road transport on human health. This PhD thesis also identifies further potential research topics. Similar work needs to be done for other transport modes (mainly trains and airplanes) to allow for a fair comparison of different transport modes in LCA studies. Repeating this method in other geographical areas with other acoustic emission and propagation models and/or other noise prediction software would also help the generalisation of this work and the assessment of possible sources of uncertainties.

Les méthodes d’évaluation environnementale sont de plus en plus utilisées pour mieux apprécier les impacts environnementaux générés par les activités humaines (produits, services, systèmes). L’analyse de cycle de vie (ACV) est sans doute la méthode d’évaluation la plus répandue. Elle est aussi souvent considérée comme la plus avancée, bien qu’elle comporte de sérieuses limites (elle n’intègre pas de réels indicateurs économiques ou sociaux, par exemple). Dans cette thèse de doctorat, j’examine plus particulièrement la problématique de l’intégration du temps dans les modèles d’inventaire et les calculs d’impact tout au long du cycle de vie. J’y présente une évolution de la méthodologie d’ACV traditionnelle pour le cas du réchauffement climatique, qui incorpore des aspects dynamiques et cumulatifs exprimés directement en équivalent-CO2. Cette perspective orientée vers une meilleure prise en compte dans les pratiques de reporting et/ou les politiques publiques est ensuite déclinée sur trois cas d’application de complexité croissante pour l’analyse. L’hypothèse centrale de ce travail est que le passage d’une ACV traditionnelle à une ACV dite « dynamique » permettrait d’obtenir des résultats d’évaluation d’impacts plus proches de la réalité des phénomènes environnementaux / Environmental impact assessment methods are now widely used in order to measure environmental impacts associated with human activities (for products, services, and systems). Life-cycle assessment (LCA) is without doubt the foremost assessment method. LCA is also often thought of as the more advanced one, despite serious limitations (e.g. LCA does not include properly economical or social dimensions). In this PhD report, I explore more specifically the issue of integrating time in both inventory models and impact assessments along the life-cycle. In the case of climate change, I offer an evolution of traditional LCA towards a framework that includes dynamic and cumulative aspects as expressed directly in CO2-equivalent. This approach, which is oriented towards reporting practices and/or public policies, is afterwards applied to three different case studies of growing complexity. The central hypothesis of this work is that switching from traditional to so-called “dynamic” LCA would allow for better results with regards to one reality of environmental processes

L'Analyse de Cycle de Vie (ACV) est un outil d'évaluation des impacts environnementaux. Il s'agit d'un outil robuste, souvent utilisé en éco-conception. Il permet de prendre en compte des impacts globaux, à toutes les étapes du cycle de vie d'un produit, « du berceau à la tombe ». Actuellement, cette méthode ne permet pas la prise en compte des impacts de l'occupation et de la transformation de l'espace par l'homme en milieu marin. Ce travail de thèse est donc le développement d'une nouvelle catégorie d'impact en ACV pour pallier ce manque : le "sea use". Dans la mesure où peu d'études avaient été réalisées sur le sujet, le cadre méthodologique de cette nouvelle catégorie d'impact a dû être clairement posé et défini. Ce cadre a été construit sur le modèle du land use, et en intégrant au maximum les avancées méthodologiques qui avaient été apportées en ACV de produits de la mer. Ainsi, un travail de revue détaillée a été mené sur le thème du land use et des ACV de pêcherie et d'aquaculture. Les chaînes de causalité permettant d'expliquer les liens entre les interventions humaines et les impacts potentiels qu'elles occasionnent sur leur environnement ont également été définies. L'une de ces chaînes de causalité a été étudiée en particulier, avec la volonté de construire une méthode opérationnelle d'évaluation de ces impacts. La méthode a ensuite été rendue opérationnelle pour l'évaluation des impacts de l'occupation et de la transformation de l'espace marin sur les fonctions de support de vie des écosystèmes. Du fait de l'importance des impacts relatifs à l'extraction de ressources biotiques en mer, la méthode a tout d'abord été appliquée au cas de la pêche. Elle a ensuite été appliquée au cas des macroalgues cultivées en mer dans l'éco-conception d'une filière de production de biométhane algal. Ainsi, cette thèse propose une méthode d'évaluation des impacts du l'usage de l'espace en mer qui est opérationnelle, et applicable à des cas d'étude concrets. / Life Cycle Assessment (LCA) is a robust tool often used for eco-design. It allows the assessment of environmental impacts, at a global scale, accounting for all stage of a product life cycle, “from cradle to grave”. There is a methodological gap in this method to account for occupation and transformation impacts in marine ecosystems due to human activities. The task accomplished during this PhD is the development of a methodological framework for a new impact category in LCA in order to overcome this lack: the sea use. As only a few studies have been carried out in this field, the general framework for sea use had to be defined. This framework has been built following the example of land use and integrating the new methods of assessment developed for LCA of seafood. Thus, a bibliographic work has been performed on the topic of land use and of LCA of fisheries and aquaculture. Cause-effect chains, linking human interventions to the potential impacts they can induce on their environment, were precisely defined. We focused on one of these cause-effect chains in particular, with the aim to build an operational impact assessment method. The method has then been made operational for the assessment of occupation and transformation impacts on the ecosystem life support functions. Because impacts of biotic biomass removal are an essential concern in marine ecosystems, the method has first been applied to fisheries. It was also exemplified on the case of offshore cultivated seaweed, as a case-study of ecodesign using LCA for seafood. Thus, a new operational methd of sea use impact assessment is proposed and can be applied to case-studies.

Au regard de la croissance constante de la demande énergétique mondiale et de l'épuisement des ressources fossiles et des problèmes environnementaux, le recours à des sources d'énergie renouvelables est incontournable. La filière biomasse parait une voie prometteuse pour la production d’énergie propre et durable. La production du Gaz Naturel Synthétique (SNG) à partir de biomasse lignocellulosique est en plein essor. L’objectif de ce travail est la comparaison, par le biais d’indicateurs de développement durable, de systèmes de production de SNG à partir des résidus forestiers et des déchets des palmiers dattiers. L’Analyse de Cycle de Vie Emergétique a été choisie comme l’outil le plus judicieux pour cette étude. Elle permet de comparer les deux systèmes afin de déterminer lequel est le plus efficace et le plus durable, et de localiser leurs possibilités d’améliorations environnementales. Les résultats montrent que l'augmentation de la teneur en eau dans le gaz de synthèse peut éviter le dépôt de carbone au cours de la méthanation. Le rendement « Cold Gaz Efficiency » du procédé SNG est de 52%. Les résultats de l'évaluation environnementale montrent de fortes réductions des gaz à effet de serre pour chaque système. La transformité de SNG français est inférieure à celle du SNG tunisien. Par ailleurs, le système tunisien a la plus grande valeur du pourcentage de renouvelabilité et d'indice de durabilité. Le profil environnemental et la durabilité des deux systèmes étudiés peuvent être encore plus intéressants en installant l'unité de SNG à proximité d’oasis ou de forêts. Dans l'ensemble, le SNG devrait contribuer favorablement à l'avenir du mix d'énergie renouvelable / Actually biomass-based energy supply is a promising route for renewable energy system and sustainable development strategy. Methane rich gas from biomass can be obtained from gasification (Synthetic Natural Gas, SNG). SNG is very suitable, as it could be an important energy carrier. It could replace natural gas for electricity generation and heating systems and use the existing gas infrastructure. The main objective of this work is to investigate the syngas methanation, and to compare the environmental performance and sustainability for different SNG production systems. The French system (valorization of forest residue) and the Tunisian system (valorization of date palm waste) are analyzed and compared by using the Emergetic Life Cycle Assessment method. The inventory data are obtained mainly through process simulation by Aspen PlusTM software. The results show that increasing the steam ratio in syngas can avoid the carbon deposit during methanation process. The cold gas efficiency of the SNG process is 52%.The environmental analysis results show that high greenhouse gas savings can be obtained for each system. The transformity of the French SNG is lower than the one of the Tunisian SNG. On the other hand, the Tunisian system has the highest percentage of renewability and index of sustainability. The environmental performance and the sustainability of the two systems can be made even more attractive by installing the SNG production units near forests or oasis. Overall, the SNG is expected to contribute favorably to the future renewable energy system

Le concept de bioraffinerie, développé afin de se substituer aux ressources fossiles, vise à concevoir une grande variété de produits (carburants, matériaux, molécules plateformes pour la chimie fine…) en se basant sur la valorisation de ressources renouvelables telles que la biomasse végétale. La mise en place de bioraffineries doit se baser sur de nouveaux procédés, éco-conçus, afin d'optimiser la performance environnementale de la chaine de transformation de la biomasse. Néanmoins, l'écoconception de procédés émergents peut être complexe en raison des multiples configurations possibles et du manque important de données précises et spécifiques sur ces technologies. L’objectif de ces travaux vise donc à développer une méthode d’évaluation multiindicateurs pour l’éco-conception des procédés agro-industriels et de bioraffineries. La démarche générale consiste à coupler les domaines du Génie des Procédés et de l’Analyse du Cycle de Vie. En effet, la modélisation, à partir de modèles physiques ou semi-empiriques (notamment issus de plans d’expériences) puis la simulation de procédés sont utilisées afin de faciliter la phase de réalisation de l’inventaire du cycle de vie en obtenant des bilans matière et énergie détaillés. Ces bilans peuvent ensuite être utilisés pour effectuer une Analyse du Cycle de Vie prospective du procédé. Par itération, il est ainsi possible de réaliser de la prévision de données et de tester de nombreux jeux de conditions opératoires pour le procédé afin d’optimiser sa performance environnementale, en déterminant les conditions opératoires optimales et les opérations unitaires les plus respectueuses de l’environnement. Cette méthodologie et son outil associé ont été testés sur différents procédés de bioraffinerie,impliquant diverses biomasses : micro-algues, coproduits de culture de blé, bois / The biorefinery concept, developed to face fossil resources dependence, aims to design a wide variety of products (biofuels, materials, chemicals ...) based on the development of renewable resources such as plant biomass. The establishment of biorefineries must be based on ecodesigned processes to optimize the environmental performance of the biomass processing chain. Nevertheless, eco-designing innovative processes can be complex due to multiple configurations and the lack of related specific and reliable data. Thereby, the aim of this research work is to develop a multi-indicator evaluation method for the eco-design of agro-industrial and biorefinery processes. The general approach is based on coupling Process Engineering and Life Cycle Assessment fields. Indeed, process modeling, based on mathematical or semi-empirical models (notably resulting from designs of experiments) and process simulation are applied to facilitate the life cycle inventory step by predicting detailed mass and energy balances. Then these data can be used to perform a prospective Life Cycle Assessment of the process. By iteration, it is possible perform data prediction and to test several operating conditions sets for the process, to enhance its environmental performance, by determining optimal operating conditions and by identifying the most environmentally friendly unit operations. The methodology and its associated tool have been tested on different biorefinery processes, involving various biomasses: micro-algae, wheat coproducts and wood

L’analyse du cycle de vie et l’évaluation du risque ont été combinées afin d’évaluer les impacts et risques potentiels de NMs de TiO2 dans l’eau, les sols et les sédiments à une échelle site-spécifique. Une approche analytique a permis de caractériser les NMs industriels dans les eaux, sols et sédiments et de déterminer leur comportement dans l’eau. Un modèle bayésien a été réalisé pour évaluer leur devenir dans les eaux et sédiments de la rivière, ainsi que leurs effets et risques associés en mésocosmes. Il a ainsi été montré que le TiO2 est présent en faible concentration dans l’eau de rivière. En mésocosmes, des risques ont été quantifiés sur deux espèces : Dreissena polymorpha et Gammarus roeseli. Il est apparu nécessaire de mieux caractériser la dimension fractale des agrégats de NMs pour comprendre leur sédimentation et de quantifier les effets des nano-TiO2 dans le milieu naturel, en dépassant l’approche par mésocosmes. / In this work, life cycle and risk assessments were combined in order to assess the potential impacts and risks of TiO2 NMs in water, soils and sediments at a site-specific scale. Two approaches were used: (1) An analytical approach allowed the analysis of waters, sediments and soils, the characterization of industrial NMs and the determination of their aggregation behavior in water; (2) A Bayesian modeling approach was used to assess their fate in the river water and sediments, as well as their potential effects and risks in mesocosms. It was thus shown that TiO2 occurs at low concentrations in the river water. Quantifying the TiO2 mass which deposits on the sediment requires characterizing more precisely their fractal dimension. Finally, nano-TiO2 were shown to induce risks to two species in mesocosms: it is consequently necessary to assess the potential effects of the nano-TiO2 produced on the study area in mesocosms, simulating realistic conditions.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / L'enveloppe du bâtiment comprends un enchaînement de matériaux permettant de remplir les fonctions nécessaires pour assurer la durabilité et l'efficacité énergétique des bâtiments. Dans un climat froid comme le Canada, la concentration en vapeur d'eau à l'intérieur des bâtiments est plus élevée que dans l'environnement extérieur, ce qui entraîne une migration de l'humidité à travers le mur du bâtiment. Par conséquent, une membrane devrait être installée dans l'enveloppe du bâtiment pour contrôler la transmission de l'humidité. Les membranes conventionnelles sont principalement des matériaux fossiles qui peuvent avoir plusieurs impacts négatifs sur l'environnement. La présente thèse, divisée en trois axes, a été consacrée au développement de membranes entièrement biosourcées pour l'application de l'enveloppe du bâtiment à partir de biopolymères et de microfibres de cellulose (CMF). Pour améliorer la dispersibilité des CMF dans la matrice polymère, trois méthodes de modification ont été conduites. Le premier axe s'est concentré sur la modification hydrophile des CMF avec du polyéthylène glycol (PEG). Dans le deuxième axe, les CMF ont été modifiées avec de l'acide lactique (LA) via une réaction d'estérification, et l'impact environnemental des membranes développées a été étudié. Enfin, au cours du troisième axe, des membranes pare-vapeur à structure sandwich ont été développées à partir de biopolymères et de CMF modifiées par sol-gel, et leurs propriétés mécaniques et barrières ont été étudiées avant et après vieillissement accéléré. Dans le premier axe, les résultats ont montré que l'utilisation du compatibilisant PEG améliorait la dispersion des fibres de cellulose dans la matrice d'acide polylactique (PLA). L'analyse thermogravimétrique a montré que l'ajout de CMF modifiées augmentait la stabilité thermique des matériaux. De plus, la perméabilité à la vapeur d'eau des membranes à base de PLA développées a été améliorée en ajoutant des CMF modifiées dans la matrice de PLA. Au cours du deuxième axe, des membranes pare-vapeur ont été fabriquées à partir de PLA et de CMF modifiées avec du LA. Les résultats ont indiqué que l'adhérence interfaciale entre les fibres modifiées et le PLA s'est améliorée après la modification. Selon les résultats des tests de traction, les membranes à base de PLA développées ont montré des propriétés mécaniques et des performances de barrière supérieures à celles des composites PLA/CMF non traitées. De plus, l'impact environnemental du composite préparé a été étudié avec un outil d'évaluation de cycle de vie et les résultats ont démontré que l'incorporation de CMF dans le PLA réduisait le potentiel de réchauffement climatique des matériaux. Pour le troisième axe, une membrane à structure sandwich a été réalisée pour une application de pare-vapeur. Dans cette membrane, les couches superficielles sont des feuilles de polyhydroxyalcanoate (PHA) et la couche intermédiaire est un composite à base de PLA renforcé avec des CMF modifiées par sol-gel. Selon les résultats obtenus, les CMF modifiées présentaient un caractère hautement hydrophobe (valeur d'angle de contact d'environ 118 ˚) et elles étaient dispersées de manière homogène dans la matrice PLA. En ce qui concerne les propriétés mécaniques, l'incorporation de fibres dans les composites sandwich a augmenté les valeurs du module d'Young et de résistance à la traction des membranes. La perméabilité à la vapeur d'eau des composites sandwich a augmenté avec l'ajout de fibres de cellulose. Cependant, les composites renforcés avec les CMF modifiées ont montré des performances de barrière supérieures à celles des CMF non traitées. De plus, un test de durabilité a été réalisé pour déterminer l'effet du vieillissement accéléré sur les propriétés des composites sandwich. Les résultats ont démontré que les propriétés mécaniques et barrières des composites incorporés avec des CMF non traitées ont diminué après vieillissement accéléré, alors que les composites renforcés avec des CMF modifiées par sol-gel ont connu le moins de changement. / The building envelope involves a sequence of materials to fulfill the functions necessary for good sustainability and energy efficiency of buildings. In a cold climate like Canada, the water vapor concentration inside buildings is higher than in the exterior environment, leading to moisture flow through the building wall. Therefore, a membrane should be installed in the building envelope to control the transmission of moisture. Conventional membranes are mainly fossil-based materials that can have several negative impacts on the environment. The present thesis, divided into three axes, was dedicated to the development of fully bio-based membranes for building envelope application from biopolymers and cellulose microfibers (CMF). To improve the dispersibility of CMF in the polymer matrix, three modification methods were conducted. The first axis was focused on the hydrophilic modification of CMF with the polyethylene glycol (PEG) compatibilizer. In the second axis, CMF was modified with lactic acid (LA) via an esterification reaction, and the environmental impact of developed membranes was studied. Finally, during the third axis, sandwich-structured vapor barrier membranes were developed from biopolymers and sol-gel modified CMF, and their mechanical and barrier properties were investigated before and after artificial aging. In the first axis, the results showed that the utilization of PEG compatibilizer improved the dispersion of cellulose fibers in the PLA matrix. The thermogravimetric analysis illustrated that the addition of modified CMF increased the thermal stability of materials. Moreover, the water vapor permeability of developed PLA-based membranes was enhanced by adding modified CMF into the PLA matrix. During the second axis, vapor barrier membranes were fabricated from PLA and LA-modified CMF. The results indicated that the interfacial adhesion between modified fibers and PLA improved after the modification. According to the tensile test results, the developed PLA-based membranes showed superior mechanical properties and barrier performance than the PLA/untreated CMF composites. Additionally, the environmental impact of the prepared composite was studied by the life cycle assessment tool, and results demonstrated that the incorporation of CMF into PLA reduced the global warming potential of materials. For the third axis, a sandwich-structured membrane was produced for the vapor barrier application. In this membrane, the surface layers are sheets of polyhydroxyalkanoate (PHA), and the interlayers are PLA-based composites reinforced with sol-gel modified CMF. According to the obtained results, the modified CMF exhibited a highly hydrophobic characteristic (contact angel value of about 118 ˚), and they were homogeneously dispersed in the PLA matrix. Regarding the mechanical properties, the incorporation of bio-fillers into sandwich composites increased the values of tensile modulus and strength of membranes. The water vapor permeability of sandwich composites increased with the addition of cellulose fibers; however, the composites reinforced with the modified CMF showed superior barrier performance than that of untreated CMF. In addition, a durability test was performed to determine the effect of artificial aging on the properties of sandwich composites. The results demonstrated that the mechanical and barrier properties of composites incorporated with untreated CMF decreased after the artificial aging, whereas the composites reinforced with the sol-gel modified CMF experienced the slightest change.

Comment les entrepreneurs forestiers peuvent-ils prendre en considération les impacts environnementaux dans leurs décisions d’affaires ? Quelles technologies peuvent réduire les impacts environnementaux tout en rendant l’entreprise plus profitable ? Afin de répondre à ces questions, un outil d’aide à la décision stratégique a été développé. Ce modèle est basé sur l’optimisation multicritère et intègre la minimisation des impacts environnementaux aux objectifs économiques. La considération d’impacts environnementaux et économiques sur l’ensemble du réseau logistique requiert une vision holistique. C’est pour cette raison qu’une approche de cycle de vie est utilisée tout au long de cette thèse. Ainsi, le modèle multicritère est alimenté par des analyses de cycle de vie environnementale et de coûts. L’analyse de cycle de vie (ACV), sous-entendu attributionnelle et environnemental, est une méthode normalisée et reconnue permettant de quantifier les impacts environnementaux d’un produit ou d’un service. La première contribution de cette thèse est de présenter une ACV du portefeuille de produits d’une entreprise forestière. Il s’agit de la première contribution analysant l’ensemble d’un portefeuille de produit d’une organisation. Cette ACV a été réalisée avec la méthode IMPACT 2002+ permettant d’obtenir une quantification des dommages sur la santé humaine, la qualité des écosystèmes, les changements climatiques et la consommation de ressources. Ces quatre impacts sont utilisés comme critères environnementaux du modèle d’optimisation multicritère. La seconde contribution introduit la réalisation d’une analyse de cycle de vie de coût basée sur la comptabilité par activités (ACVC-PA) couvrant l’ensemble des opérations de récolte et de transformation d’une entreprise forestière. À partir des résultats des coûts de chacune des activités, le coût de revient est attribué à chacun des produits du portefeuille. Dans la discussion est présentée une analyse de l’état d’avancement des principaux produits sur les marchés nord-américains. La méthodologie de l’ACVC-PA a été choisie, car elle permet de faire des liens avec les résultats de l’analyse environnementale. Le modèle d’aide à la décision intégrant les critères environnementaux est présenté dans la troisième contribution. Les résultats des deux analyses précédentes sont incorporés dans un modèle d'optimisation multicritère, auquel sont ajoutés les effets de substitutions, grâce à une approche conséquentielle de l’ACV. Dans le cas des produits du bois, les effets de substitutions ont des impacts positifs, au moins sur les changements climatiques, puisque les matériaux de construction courants (acier ou béton) et les combustibles fossiles ont une intensité carbonique supérieure. Ce modèle propose des solutions optimales d’un point de vue environnemental et économique, ainsi que les compromis entre ces critères, quant aux flux de matières et l'acquisition de nouvelles technologies. Une représentation graphique des réseaux proposés accompagne le calcul des bénéfices nets annuels anticipés et des émissions nettes de gaz à effet de serre de chacune des solutions. La démonstration du modèle d’aide à la décision repose sur l’étude de cas d’une entreprise forestière. Le modèle mathématique est en programmation linéaire en nombres entiers, qui est résolue par la méthode exacte et l’approche a posteriori. Ce qui permet de générer 150 solutions, en faisant varier les pondérations entre 0 et 1 pour chaque critère. Plusieurs technologies prospectives sont intégrées dans ce modèle tout en respectant les contraintes d’approvisionnements, de recette et de capacité spécifique au contexte de l’entreprise forestière à l’étude. Une dernière contribution porte sur le transport des produits du bois. L’acheminement des systèmes de construction préfabriquée directement sur les chantiers de construction présente plusieurs avantages, mais est une source d’émissions de gaz à effet de serre. CarbonRoadMap est un modèle d’aide à la décision multicritère et multimodal offrant des alternatives au transport en camion. L’entreprise forestière peut ainsi proposer des parcours en fonction des priorités de ses clients, qui peuvent être le délai, le coût ou les émissions de gaz à effet de serre. L’ensemble de cette thèse démontre que l’intégration des critères environnementaux dans les outils d’aide à la décision permet d’élargir la vision des décideurs. De plus, dans les deux études modèles, propres à l’entreprise forestière, les solutions réduisant les impacts environnementaux sont majoritairement des sources de profit supplémentaire simultanément. / How can forest harvesting entrepreneurs consider environmental impacts in their business decisions? What technologies can reduce environmental impacts while making the company more profitable? To answer these questions, we developed a strategic decision support tool which integrated the minimization of environmental impacts with economic objectives environmental based on multi-criteria optimization. The consideration of environmental and economic impacts on the entire logistics network requires a holistic vision. That why a life-cycle approach was adopted all long of this thesis. Thus, the multi-criteria model is powered by environmental Life-Cycle Assessment (LCA) and Life-Cycle Cost Assessment (LCCA). The first contribution of this thesis is to present a LCA of the product portfolio of a forestry company. LCA is a standardized and recognized method for quantifying the environmental impacts of a product or service. This analysis was realized with the IMPACT 2002+ method, which quantify damages on human health, ecosystem quality, climate changes and resource consumption, which are the four environmental criteria in this entire research project. The second contribution is the realization of an Activity-Based Life-Cycle Costing (AB-LCC) covering all the harvesting and processing activities of the same forestry company. The cost structure of the company was analyzed for each product of the portfolio along with an analysis of the life-cycle of each Harvested Wood Product (HWP) in the North American market context. With a consequential LCA approach, it is possible to consider the consequences of a change by integrating the substitution effects. Substition of building materials, such as steel or concrete, and of fossil fuels by HWP has positive greenhouse gas emission impacts. The third contribution, presented in chapter 4, use results of the previous analyzes to incorporate them in a multi-criteria optimization model which considers both profitability and environmental impacts. The decision support model provides optimization from an environmental, economic and all compromises between these criteria, on material flux and new technology acquisition. A graphical representation of the proposed network accompanies the calculation of expected annual profits and net GHG emissions of solutions. The case study is based on primary and historical data of the company activities as well as set of new technologies considered, for both environmental and economic criteria. The mathematical model is linear integer programming that is resolved by the exact method and a posteriori approach, by varying weights between 0 and 1 for each criterion, to generate 150 solutions. Several prospective technologies are proposed in the model while respecting the constraints of supplies, recipes and specific capacity to the context of the studied forestry company. A final contribution of this thesis is about the HWP delivery system, presented in chapter 5. The routing of prefabricated building systems directly on construction sites has several advantages, but it is a source of GHG emissions. CarbonRoadMap is a multicriteria and multimodal model supporting decisions about alternatives to truck only transport. The forestry company can suggest different routes based on the priorities of its customers, who may be the time, cost or carbon emissions. This whole thesis demonstrates that the integration of environmental criteria in the decision support tools allows a wider vision. In the applications, specific to forestry business, the solutions with an environmental impacts reduction are mostly a source of additional profit simultaneity.

Cette thèse porte sur l’étude des impacts environnementaux de systèmes de production de bovins. Le premier objectif était d’analyser et de comparer les impacts environnementaux de systèmes de production de viande et de lait par analyse de cycle de vie (ACV) attributionnelle. Les effets de pratiques d’atténuation de ces impacts ont été évalués pour les systèmes de production de viande. Le second objectif était un développement méthodologique afin d’explorer les conséquences possibles d’une préférence accrue pour un lait produit à base d’herbe, par ACV conséquentielle. Dans un système de production de viande par le troupeau allaitant, le méthane entérique a été le principal contributeur à l’impact changement climatique, et la production de l’herbe a été la principale contributrice aux autres impacts (demande énergétique cumulée, eutrophisation, acidification, occupation du sol). L’atelier naisseur (vaches allaitantes et leurs veaux, génisses) a contribué de manière majeure aux impacts du système allaitant dans son ensemble. La pratique d’atténuation la plus efficace pour le système a été la diminution de l’âge au vêlage de 3 à 2 ans. L’utilisation de lipides riches en acides gras oméga-3 dans le régime a très peu affecté les impacts du système. L’application simultanée de plusieurs pratiques d’atténuation compatibles entre elles réduit sensiblement les impacts. L’application de pratiques telles que la réduction du gaspillage d’herbe, l’engraissement des génisses non utilisées pour le renouvellement et la diminution de l’âge au vêlage réduisent l’occupation du sol. Un usage alternatif des terres libérées tel que la plantation de forêt pour séquestrer du carbone dans la biomasse semble prometteur. L’étude de systèmes de production de lait a été centrée sur les comparaisons de systèmes à base d’herbe ou d’ensilage de maïs, d’une race spécialisée (Holstein) ou mixte (Normande) et sur l’effet du niveau de production laitière par ACV attributionnelle. Quelle que soit la méthode d’attribution des impacts aux co-produits, les impacts par kg de lait ont été plus faibles pour les systèmes à base d’ensilage de maïs et pour les Holstein, sauf pour l’eutrophisation. L’accroissement de la production de lait par vache grâce à une consommation d’énergie accrue et au vêlage à 2 ans a permis de réduire les impacts du lait et de son co-produit viande. Les conséquences de la conversion d’une exploitation laitière utilisant beaucoup de maïs ensilage vers une exploitation utilisant de l’herbe comme unique source de fourrage pour répondre à une demande de lait produit à base d’herbe en France ont été évaluées par ACV conséquentielle. Cette conversion entraîne des changements notables de l’utilisation des sols en dehors de l’exploitation, et donc un fort accroissement des impacts du système dans son ensemble et du lait produit. / This thesis addresses the environmental impacts of cattle production systems. The first objective of this thesis was to analyse and compare the environmental impacts of suckler-beef and dairy production systems using attributional life cycle assessment (ALCA). Subsequently, the effects of mitigation practices for suckler-beef production systems were assessed. The second objective addressed methodology development by exploring possible consequences due to an increase in preference for grass-based milk using consequential LCA (CLCA).For a suckler-beef production system, enteric methane fermentation was the main contributor to the climate change impact, and grassland production contributed most to other impacts (cumulative energy demand, eutrophication, acidification and land occupation). The suckler cow-calf herd substantially contributed to the impacts of the suckler-beef system. The most effective mitigation practice for the suckler-beef production system was decreasing calving age from 3 to 2 years. The use of lipids rich in omega-3 fatty acids in ruminant diets did not substantially affect the impacts of the suckler-beef production system. Simultaneous application of several compatible practices can substantially mitigate the impacts of the suckler-beef production system. The application of certain practices (e.g. reducing ungrazed grass losses, fattening heifers not used for replacement and reducing calving age) reduced land occupation. Alternative uses for the “released land”, e.g. the introduction of forest to sequester C into biomass, seems promising. For dairy production systems, the assessment focused on a grass-based vs. maize-silage-based system, dual-purpose breed (Normande) vs. specialised breed (Holstein) and the effect of increasing milk yield per cow, using the ALCA approach. Independent of co-product handling methods, the impacts per kg of milk were lower with the maize-silage-based system and with Holstein cows (except for eutrophication). Increasing milk yield per cow by increasing feed energy intake and applying more intensive management (first calving at 2 years) decreased the impacts of milk and its beef co-product. The consequences of converting a maize-silage-based to a grass-based dairy farm in France to meet the increased domestic preference for grass-based milk were assessed using the CLCA approach. This farm conversion caused land-use change outside the dairy farm and thus substantially increased the impacts of the whole production system and the milk it produced.