Ce travail est une contribution à la mise au point d'un outil de caractérisation de la biodégradabilité de la matière organique dissoute des eaux. La méthodologie développée vise à être applicable sur tout le continuum aquatique, formé par le réseau d'assainissement, la station d'épuration et le milieu naturel récepteur, dans le but de répondre aux besoins de gestion intégrée de la pollution domestique urbaine. La méthodologie développée résulte du couplage de deux méthodes de caractérisation de la biodégradabilité de la matière organique: la méthode respiromètrique développée par Xu et Hasselblad (1996) qui permet de quantifier la fraction de matière organique rapidement biodégradable et la méthode en batch de Tusseau et al. (2003) qui permet de quantifier les fractions réfractaire et biodégradable. L'interprétation des données expérimentales se fait via l'utilisation d'un modèle mathématique (modèle ASM3 développé par un groupe de travail de l'International Water Assosiation - IWA). Une méthode d'assimilation de données, basée sur la théorie du contrôle optimal, nous a permis de combiner de façon optimale modèle et résultats des deux méthodes afin d'aboutir à un fractionnement de la matière organique en classes de biodégradabilité. Les résultats obtenus lors de la biodégradation d'un substrat rapidement biodégradable (l'acétate), noté SS dans le modèle, ont permis de valider le bon fonctionnement du modèle ASM3 et de développer un modèle dérivé (modèle ASM3z). Par la suite, ce modèle a encore été modifié pour permettre la bonne simulation et l'interprétation des résultats expérimentaux obtenus sur des eaux usées domestiques prélevées en entrée et sortie d'une station d'épuration. Cette modification a consisté à ajouter un compartiment de matière organique dissoute (noté S2) plus lentement biodégradable que SS et ce nouveau modèle est noté ASM3z_S2. Les résultats obtenus sont satisfaisants et montrent qu'il est possible de quantifier S2 et SS, dans des eaux usées domestiques en utilisant des expériences réalisées avec une large gamme de rapports substrat/biomasse bactérienne (S0/X0). Enfin ce modèle a été appliqué, lors d'une même optimisation, sur des eaux usées brutes, des eaux traitées et des eaux de rivière. Ce travail a mis en évidence l'importance de parvenir à une excellente homogénéisation de la biomasse utilisée lors des tests respirométriques.