Les systèmes de digestion anaérobie (DA) sont des systèmes biomécaniques complexes qui demandent une conception et une fabrication particulières pour chaque cas. Ces systèmes, à la base, utilisés sur les fermes pour transformer le fumier en biogaz et en engrais, sont maintenant utilisés pour transformer tout type de matières organiques allant des déchets de table aux rejets industriels. Ce mémoire porte sur deux post-traitements possibles de l’effluent de tels systèmes dans le but d’améliorer le bilan environnemental, de réduire l’impact sur les stations de traitement des eaux usées (STEU) et de poser les bases pour de futures recherches sur le recyclage de la portion liquide de cet effluent vers les systèmes de digestion anaérobie. Le post-traitement permet d’améliorer le bilan environnemental en évitant de relâcher certains contaminants dans la nature ou vers les STEU, ce qui pourrait gravement affecter leur efficacité de traitement. Les traitements retenus sont un traitement biologique (figure 2) par nitrification et dénitrification de l’effluent ainsi qu’un traitement chimique par stripage à l’air. Le traitement biologique a permis de retirer 50% de la charge azotée pour des conditions d’opération données comparativement à plus de 90% pour le traitement chimique. Le système qui s’avère le plus efficace en terme de temps de traitement (moins de 12 heures versus 5 jours), de flexibilité par rapport aux charges (jusqu’à 6000 ppm d’azote ammoniacal versus moins de 2000 ppm) et d’efficacité du retrait en général est le traitement par stripage à l’air. Comparativement au traitement biologique, ce traitement ne demande pas de temps de démarrage, ce qui permet aux usines de biométhanisation d’être conformes à leurs objectifs de rejet dès le premier jour.

Les procédés anaérobies de traitement de déchets apparaissent clairement pouvoir répondre à l'enjeu socio-économique actuel que représente la valorisation énergétique de la fraction organique contenue dans les déchets ménagers. En effet, les processus de dégradation anaérobies font intervenir en cascade, différentes réactions et populations de micro-organismes permettant de transformer la matière organique en biogaz riche en méthane. Une bonne connaissance des effets des paramètres opérationnels sur l'orientation des métabolismes s'avère ainsi nécessaire à l'émergence de solutions permettant d'optimiser ces procédés. Ceci est notamment le cas pour la dernière étape, appelée méthanogenèse. Dans ce contexte, l'approche isotopique reposant sur la mesure de la composition isotopique (13C/12C) du méthane et du dioxyde de carbone, devrait pouvoir répondre à cet objectif en permettant l'identification des métabolismes à l'origine de la production du méthane. La transposabilité à l'étude de la digestion anaérobie des déchets de cette approche isotopique déjà utilisée dans les écosystèmes naturels, a tout d'abord été vérifiée expérimentalement. Les effets de certains paramètres opérationnels connus pour avoir un impact fort sur le processus de digestion anaérobie, tels que la température et la concentration en azote ammoniacal, ont ensuite été étudiés. Il a été mis en évidence qu'en condition thermophile, la méthanogenèse acétoclaste observée en condition mésophile, était remplacée par une oxydation syntrophique de l'acétate lors de la digestion anaérobie des déchets ménagers. Des expériences sur acétate ont montré que cet effet sur les voies métaboliques n'était toutefois pas systématique et pourrait ne pas être dû à un effet direct d'une augmentation de la température, mais plutôt à l'accroissement de la concentration en ammoniaque qui en résulte. D'autres expériences ont clairement établi qu'une augmentation de la concentration en azote ammoniacal conduisait également à la mise en place de l'oxydation syntrophique de l'acétate. Le couplage de l'approche isotopique avec des analyses microbiologiques a révélé que cette réaction d'oxydation syntrophique de l'acétate, à haute concentration en azote ammoniacal, pouvait s'établir telle que déjà décrite, par la mise en place d'une relation symbiotique bactéries/archées hydrogénotrophes strictes, mais également de manière différente en impliquant des membres de la famille Methanosarcinaceae qui pourraient réaliser seuls les deux étapes de la réaction (oxydation et méthanogenèse hydrogénotrophe). L'application de l'approche isotopique a également permis de mettre en évidence, lors d'une expérience visant à simuler la recirculation de différents effluents au sein d'une installation de stockage de déchets bioactive, l'influence de la nature de l'effluent sur l'orientation des métabolismes méthanogènes. Enfin, l'influence de la proportion de déchets verts, lors de la co-digestion biodéchets / déchets verts, sur la concentration en ions ammonium libérés ainsi que sur l'orientation du métabolisme en résultant, a été étudiée. Les potentialités d'une utilisation de l'approche isotopique sur site ont également été investiguées au travers d'une campagne de mesures sur une installation de stockage de déchets non dangereux. / Anaerobic waste treatment processes are clearly part of the answer to a current important socio-economic issue in waste management: energy production from the organic fraction of municipal solid waste. The anaerobic digestion of municipal solid waste is a complex process involving numerous reactions and microorganism communities. At the end of the degradation process, some biogas with a particularly high methane content is produced. A detailed knowledge on how operational parameters affect metabolism orientations is required to optimize these treatment processes. This is in particular the case for the last degradation reaction called methanogenesis. In this context, an isotopic approach based on isotopic composition measurements (13C/12C) for methane and carbon dioxide can provide some clues with regard to this objective. Indeed, this methodology enables the determination of the methanogenic pathways by which methane is produced.Transferability of the isotopic approach used for natural ecosystems to the field of anaerobic digestion of municipal solid waste was first experimentally verified. In a second time, the effects of some operational parameters known to strongly impact the anaerobic digestion process, such as temperature and ammonia concentration, were studied. During anaerobic digestion of reconstituted municipal solid waste in thermophilic conditions, it was shown that aceticlastic methanogenesis (occurring in mesophilic conditions) was replaced by a syntrophic acetate oxidation reaction. Additional experiments using acetate as sole substrate were performed and showed that this effect on the metabolic pathways was not systematic. Consequently, it cannot be due to a direct effect of the temperature increase. It could rather be explained by the induced and indirect increase in ammonia concentration. Additional experiments clearly demonstrated that an increase in ammonia concentration led to the establishment of a syntrophic acetate oxidation reaction. The isotopic approach was combined with microbiological analyses and showed that the syntrophic acetate oxidation reaction occurring at high ammonia concentration during acetate incubations could have been performed through a syntrophic relationship between bacteria and strict hydrogenotrophic archaea, as previously described in the literature. Interestingly, the syntrophic acetate oxidation could also have occurred using a different pathway relying on members of the Methanosarcinaceae family putatively able to perform the two steps of the reaction (oxidation and hydrogenotrophic methanogenesis). In addition, the implementation of the isotopic approach during an experiment designed to simulate a landfill bioreactor evidenced the influence of the effluent's nature on the methanogenesis metabolism orientation. The influence of green waste proportion during the co-digestion of biowaste / green waste mixtures on resulting ammonia concentrations and methanogenesis pathways was also studied through dedicated experiments. Finally, the potential of the isotopic approach for landfill-scale application was investigated through a measurement campaign on a landfill site.