Au Québec, l'enfouissement est la technique la plus répandue pour l'élimination des matières résiduelles. Bien qu'elle soit simple et économique, elle entraîne différentes problématiques, dont la production de lixiviats, des liquides très chargés en contaminants, et de gaz d'enfouissement contribuant à l'émission de gaz à effet de serre. Chez Investissement Québec - CRIQ (IQ-CRIQ), la biofiltration méthanotrophe a été étudiée dans les dernières années pour le traitement combiné de ces deux sources de polluants. Si cette technologie a montré une bonne capacité à traiter le méthane (CH₄) présent dans les gaz d'enfouissement, tout en assimilant de l'azote des lixiviats, la capacité du système biologique à résister aux fluctuations saisonnières de température peut être questionnée. L'objectif principal est donc de vérifier si le caractère exothermique de la réaction d'oxydation du CH₄ par les bactéries méthanotrophes permet de maintenir l'activité biologique au sein du biofiltre et donc la capacité épuratoire du CH₄ et de l'azote nitrate (NO₃-) des lixiviats en période hivernale. Pour ce faire, un montage expérimental comprenant quatre biofiltres avec un garnissage organique a été alimenté avec des lixiviats prétraités provenant d'un site d'enfouissement et un mélange synthétique de gaz composé de gaz naturel et d'air. Des isolants en uréthane et une chambre réfrigérée ont été utilisés afin de reproduire les conditions hivernales sur le terrain d'un biofiltre enfoui, soit une température avoisinant les 4 °C. En ce sens, la température d'alimentation liquide a aussi été diminuée à 4 °C pour deux des quatre biofiltres. L'effet d'une charge en CH₄ plus importante sur le traitement a aussi été exploré. Durant les expérimentations qui se sont étendues sur environ 300 jours, les gaz (CH₄, CO₂, N₂O entre autres) et les liquides (NO₃-, NO₂-, NH₄+, pH entre autres) ont été analysés deux à trois fois par semaine et la température interne des réacteurs a été suivie en continu à l'aide de capteurs. Les expérimentations ont permis de montrer que le maintien du traitement était possible même avec une baisse de la température du liquide d'alimentation : une capacité d'élimination de 98 à 112 gCH₄/m³/j et de 2,6 à 3,2 gN-NO₃-/m³/j a été observée pour le biofiltre à température ambiante (environ 21 °C) alimenté avec un lixiviat à 4 °C alors qu'elle a été de 113 gCH₄/m³/j et de 4,4 gN-NO₃-/m³/j pour le biofiltre témoin (température ambiante et d'alimentation liquide à environ 21 °C). Cependant, le biofiltre alimenté avec des lixiviats à 4 °C et placé dans un environnement avec une température ambiante à 4 °C a vu ses capacités à traiter le CH₄ et le NO₃- devenir nulles lors du changement drastique de température. Finalement, le biofiltre alimenté avec une concentration plus élevée en CH₄ n'a pas été en mesure de traiter davantage de contaminants, ce qui laisse croire qu'il pourrait y avoir un débalancement entre le CH₄, les NO₃- et les autres nutriments essentiels ou encore la présence d'inhibiteurs au sein du biofiltre. Une difficulté des gaz à pénétrer le biofilm a aussi pu limiter la capacité d'oxydation et donc l'enlèvement des NO₃-. Bien que des incertitudes persistent, les résultats obtenus montrent bien un potentiel de maintien des capacités épuratoires par les méthanotrophes en période froide d'opération.

La pollution de l'eau résultant de la présence excessive de nutriments azotés issus de pratiques agricoles et des activités humaines telles que la décharge des eaux usées domestiques et industrielles est devenue un problème environnemental majeur. L’objectif principal de cette étude est l’optimisation de la formulation de nouveaux adsorbants pour l’élimination des ions ammonium contenus dans les effluents d’origine agricole. À cet effet, deux matériaux mésoporeux fonctionnalisés avec des groupements arène et propyl-sulfonique acides par cocondensation et greffage post-synthèse d’une part et un nouvel adsorbant contenant un groupement benzénique ponté d’autre part ont été synthétisé. Ils ont été caractérisés et testés en modes discontinu et en continu. Les adsorbants arène et propylsulfonique acides avec un rapport molaire organosilane/silice de 20% affichent une capacité maximale d'adsorption d'environ 25 mg NH4+/g à la température la plus basse étudiée (5°C). Pour une concentration initiale d'ammonium donnée, l'efficacité d'élimination (W) augmente avec l'augmentation de la charge en adsorbant. La capacité d'adsorption s’est améliorée avec l'augmentation du rapport molaire organosilane/silice pour atteindre 42 mg de NH4+/g avec un rapport de 40 % à 25° C. Les données d'équilibre des deux adsorbants suivent le modèle de Langmuir et le modèle cinétique de pseudo second ordre est celui qui décrit le mieux leur comportement cinétique. Les valeurs négatives de l'enthalpie (ΔH°) et de l'entropie (ΔS0) obtenues indiquent que la réaction est exothermique et qu’il y a baisse de l'arrangement aléatoire de l'adsorbat à l'interface solide/liquide, respectivement. Enfin, les adsorbants sont facilement régénérés et ont maintenu leurs capacités d'adsorption après cinq cycles consécutifs d’adsorption-désorption. L’étude en continu a été réalisée avec l’adsorbant arène sulfonique synthétisé par greffage. Les résultats obtenus montrent que le temps de survenue des courbes de percée diminue avec l'augmentation du débit et de la concentration initiale, mais augmente avec l'augmentation de la hauteur du lit. Les modèles de Thomas et Yoon-Nelson ont permis une bonne prédiction des courbes de percée expérimentales. Enfin, les courbes de percée n'ont pas été modifiées après trois cycles consécutifs d’adsorption-désorption. Avec l’adsorbant contenant le groupement benzénique ponté, des capacités comprises entre 34 et 40 mg NH4+/g ont été obtenues. / Water pollution resulting from the excessive presence of nitrogen nutrients arising from agricultural practices and human activities such as the discharge of domestic and industrial wastewater has become a major environmental problem. The main objective of this study is to optimize the formulation of new adsorbents for the removal of ammonium ions contained in agricultural runoff. For this purpose, two mesoporous materials functionalized with arene and propyl sulfonic acid groups by cocondensation and post-synthesis grafting on the one hand and a novel adsorbent containing a bridged benzene moiety on the other hand were synthesized. They have been characterized and tested in batch and continuous modes. Arene and propylsulfonic acid adsorbents with an organosilane/silica molar ratio of 20% show a maximum adsorption capacity of about 25 mg NH4+/g at the lowest temperature studied (5° C). For a given initial ammonium concentration, the removal efficiency (W) increased with increasing adsorbent loading. The adsorption capacity was improved by increasing the molar organosilane silica ratio to reach 42 mg NH4+/g with a ratio of 40% at 25 ° C. The equilibrium data of both adsorbents followed the Langmuir model and the kinetic pseudo second order model is the one that best describes their kinetic behavior. Negative values of the enthalpy (ΔH0) and entropy (ΔS0) obtained indicate that the reaction is exothermic and that there is downward of the random arrangement of the adsorbate at the solid/liquid interface, respectively. Finally, the adsorbents are regenerated easily and maintained their adsorption capacity after five consecutive cycles of adsorption-desorption. The continuous study was conducted with the arene sulfonic acid adsorbent synthesized by grafting. The results obtained show that the time of occurrence of breakthrough curves decreases with increasing flow rate and initial ammonium concentration, but increases with increased bed height. Thomas and Yoon-Nelson models allowed a good prediction of experimental breakthrough curves. Finally, the breakthrough curves were not changed significantly after three consecutive cycles of adsorption-desorption. With the adsorbent containing the bridged benzene group, adsorption capacities between 34 and 40 mg NH4+/g were obtained.

L'objectif de ce travail est d'étudier et de modéliser le comportement de l'azote pour un procédé de traitement résidentiel d'eau usée. Une unité pilote d'un système BionestMD traitant des eaux grises et noires installée dans les locaux de la compagnie produisant le procédé a été étudiée. Celle-ci comportait une fosse septique ainsi qu'un réacteur biologique à support fixe, dont une partie est aérée. La sortie de ce réacteur était en partie recirculée vers l'entrée de la fosse. Un suivi sur plusieurs semaines de plusieurs paramètres (DCO, NH₃/NH₄⁺, O₂...) a été effectué quotidiennement et/ou hebdomadairement sur chaque entrée et sortie ainsi que dans chaque étape du traitement. Le suivi a été réalisé à la fois en fonctionnement normal, en surcharge ainsi qu'en fonctionnement sans recirculation. La modélisation est quant à elle réalisée à l'aide du logiciel de simulation GPS-XTM. Les différentes étapes du traitement réel y sont représentées par un décanteur primaire (fosse) ainsi qu'un réacteur hybride, permettant la croissance fixe et suspendue (réacteur). Une étude de sensibilité a été réalisée pour cerner quels paramètres influencent le plus les prédictions du modèle. Celui-ci a par la suite été calé en comparant les résultats obtenus sur le pilote sous différents régimes à ceux simulés. Les résultats obtenus montrent que le système étudié élimine habituellement totalement l'azote ammoniacal, hormis lors des journées où la charge à traiter est particulièrement élevée. Les mesures de DCO ainsi que des MES effectuées à l'effluent du système ont également toujours été très faibles avec des moyennes de 16 et 3 mg/L (valeurs maximales de 58 et 6 mg/L), malgré des valeurs moyennes à l'entrée de 260 mg/L et 207 mg/L respectivement. Le modèle construit et calé montre également une bonne fidélité par rapport aux valeurs mesurées sur le pilote en sortie de chaque étape du traitement, avec une précision un peu moins bonne pour les nitrates. La modélisation semble donc pour le moment être un bon outil pour faciliter la compréhension et l'étude des performances d'un système de traitement résidentiel des eaux usées.

La caféiculture représente 7,5% des cultures permanentes mondiales et utilise généralement de grandes quantités de fertilisants azotés (jusqu'à 350 kg N ha-1 an-1). La caféiculture est souvent pratiquée sous couvert d'arbres dont certains sont fixateurs d'azote. La contribution des plantes fixatrices d'azote aux émissions de N2O est un sujet prégnant dans le cadre du développement durable, avec des résultats dans la littérature qui peuvent parfois apparaître contradictoires. Dans ce contexte, nous avons étudié le bilan des gaz à effet de serre (GES) dans deux cultures caféières fortement fertilisées (250 kg N ha-1 an-1), au Costa Rica : une monoculture et une culture ombragée par l'espèce légumineuse fixatrice de N2 Inga densiflora. Nous avons mesuré périodiquement les flux de N2O, CH4 et CO2 à l'interface solatmosphère, leurs déterminants édaphiques (humidité gravimétrique, espace poral occupé par l'eau, température et teneur en azote minéral) et les taux de minéralisation de l'azote dans le sol. Par ailleurs, nous avons caractérisé, au laboratoire, les paramètres biologiques de nitrification-dénitrification et leur production associée de N2O et N2 pour simuler en continu les émissions de N2O avec les modèles NGAS et NOE sur une durée d'un an. Enfin, nous avons évalué la dynamique du C du sol et l'accumulation de C dans les biomasses et la litière. Nos mesures ont montré une très forte contribution de la fertilisation azotée aux émissions de N2O, soit une proportion moyenne de 77% des bilans annuels (4,3 ± 0,3 et 5,8 ± 0,5 kg N-N2O ha-1 an-1, respectivement dans la monoculture et la culture ombragée). Les fertilisations ont également augmenté temporairement la respiration du sol. Les valeurs faibles des activités biologiques (notamment des potentiels de dénitrification < 1 kg N ha-1 j-1) ont expliqué les flux toujours inférieurs à 300 g N ha-1 j-1 observés dans des conditions environnementales pourtant favorables à la production de N2O (température, humidité et teneur en nitrate du sol élevées). La similarité entre les activités biologiques mesurées sur les deux cultures de café ainsi que celle entre les bilans annuels de N2O établis à partir de mesures et de modélisation permettent de conclure sur un effet de faible ampleur de l'espèce légumineuse fixatrice de N2 sur les émissions de N2O. Le bilan des flux de GES hors CO2 à l'interface sol-atmosphère et du stockage de C de la culture ombragée (11,93 ± 2,17 Mg CO2-equivalent ha-1 an-1) a été 4 fois supérieur au bilan de la monoculture (2,67 ± 1,94 Mg CO2-equivalent ha-1 an-1). Nos résultats tendent donc à confirmer que la culture de café conduite en agroforesterie, sur un Andosol, augmente le puits de GES et que, dans le contexte présent, l'utilisation d'une légumineuse fixatrice de N2 comme espèce ombragère ne contredit pas cette observation.

Dans l'étang de Berre, les apports excessifs en eau douce entraînent souvent des variations brusques de la salinité et des apports en azote parfois abondants. Les processus de régénération sédimentaire et d'élimination d'azote constituent des phénomènes majeurs pouvant expliquer le développement phytoplanctoniques et contrôler l'eutrophisation. L'étude de ces processus a été réalisée dans 2 stations ayant subi des historiques de variations de salinité différents. RDNA et anammox étaient négligeables. La dénitrification (couplée à la nitrification) serait le principal processus de sortie de N2 de l'étang. La forte production primaire pélagique utilisant l'ammonium a pu être expliquée par les processus de régénération, contrairement au nitrate dont la demande pélagique serait soutenue par des apports externes. Comme la salinité est susceptible d'influencer les processus d'azote, des microcosmes ont été utilisés afin d'évaluer la sensibilité de ces processus (résistance, résilience, shift) face aux variations à court terme de la salinité. Les 2 stations ont présenté des réponses différentes (dénitrification et nitrate réduction plus résilientes que la nitrification), suggérant que les stress halins à long terme influencent les réponses à court terme. Une hypothèse serait que la diversité et la structure des communautés joueraient un rôle crucial dans le maintien des taux d'activité. Dans cette étude, seule la communauté nitrifiante (AO) a été étudiée. Les AO et leurs transcrits étaient spécifiques aux sites et leurs abondances changeaient faiblement entre les microcosmes (résistance plus forte dans le site fréquemment soumis à des fluctuations de salinité). / The Berre lagoon receives excess freshwater leading to strong changes in the ecosystem salinity and in the nutrient inputs. Regeneration processes and the N2 removal of nitrogen are of a particular interest as they can explain the planktonic development and control the eutrophication state. These processes were studied in 2 stations with different patterns of long term stresses. DNRA and anammox were negligible. Denitrification (particularly the one coupled to nitrification) would be the main N2 removal in the lagoon. The high primary production based on N-NH4+ can be explained by the regeneration processes, while the primary production based on N-NO3- might be sustained by external inputs. As salinity susceptible to influence directly or indirectly the nitrogen processes, a microcosm approach was used in order to assess their sensitivity (resistance, resilience, shifts) to short term salinity fluctuations. Overall, towards the same kind of perturbations, the two stations responded differently (denitrification and nitrate reduction exhibited showed higher resilience than nitrification.), suggesting that long-term saline stresses would influence short-term responses. We suggest that the diversity and the structure of the communities would be crucial in their functional redundancy and thereby in the maintenance of the rates. In this study, we focused on the total structure of the nitrifying community (AO). AO and their transcripts were site-specific and their abundances changed slightly between microcosms (higher resistance in the site subject to frequent salinity fluctuations compared to the other site which is not affected by changes in the in situ salinity).

Ce travail s'intègre dans des problématiques actuelles cherchant à caractériser l'impact des activités humaines sur les écosystèmes. Le sol, et en particulier, les communautés microbiennes fonctionnelles, abordées simultanément en tant qu'actrices des bio-transformations et en tant que biodescriptrices de l'état fonctionnel du système, ont été l'objet d'étude de ce travail qui s'est articulé autour de deux questions majeures : - Il s'agissait de savoir si des communautés microbiennes du sol exerçant deux fonctions considérées comme représentatives du fonctionnement global (respiration et dénitrification) pouvaient, sur un sol minier revégétalisé, récupérer des performances similaires à celles d'un sol de forêt. Cette étude menée in situ en forêt guyanaise, sur une zone minière aurifère réhabilitée a montré une certaine réversibilité des activités microbiennes des sols observées lors d'une telle perturbation. En effet, malgré une texture extrêmement hétérogène, le sol, une fois replanté en légumineuses, retrouve un fonctionnement similaire à celui de la forêt. Les biodescripteurs utilisés (ratio respiration réelle/potentielle et dénitrification/ respiration) ont permis de caractérise les différences de fonctionnement le long de la séquence de reforestation. Ils se sont révélés pertinents pour décrire les sols en cours de reconstruction et de stabilisation. La valeur de ratio respiration réelle/potentielle dans un sol de forêt pourrait être considérée comme un indicateur de stabilité, spécifique du site et caractérisant l'état d'équilibre à atteindre. Enfin, en permettant de détecter des variations qualitatives de la matière organique des sols qui n'avaient pas été mises en évidence par le C/N, l'utilisation de l'analyse NIRS associée aux analyses d'activité enzymatiques microbiennes a permis de vérifier que la dynamique de reconstruction des sols avait été accélérée par la plantation. La seconde question majeure de ce travail était: quel est l'impact d'une première perturbation sur (i) la structure et le fonctionnement microbien du sol et sur (ii) la capacité du sol à résister à une seconde perturbation ? Pour y répondre, une expérience in vitro menée sur des microcosmes de sol subissant deux types de perturbations (mercure et chaleur) a été élaborée. Les résultats ont montré que la respiration et la dénitrification répondaient d'une manière différente avec, parallèlement, des modifications durables de la structure des communautés. La diversité génétique des communautés microbiennes du sol a été évaluée à l'aide d'une ARISA après une extraction directe de l'ADN du sol. Au préalable, une étude méthodologique avait permis d'évaluer les biais engendrés par différentes méthodes d'extraction de l'ADN et donc de choisir l'extraction directe de l'ADN. Le maintien, dans certains cas, des fonctions après perturbation (respiration inchangée après l'application du mercure; dénitrification importante malgré le choc de température) suggère une redondance fonctionnelle importante parmi les communautés microbiennes du sol. Pourtant l'application de mercure, semble induire une vulnérabilité plus importante des sols face à une autre perturbation (chaleur). Cette vulnérabilité se traduit par une modification du fonctionnement de la communauté hétérotrophe du sol (respiration potentielle) mais aussi par la quasi disparition de la dénitrification dans ces sols. Cela peut révéler une diminution de la stabilité des sols qui pourrait être due à la modification de diversité mise en évidence dès le début de l'expérience. L'ensemble des résultats posés au cours de ce travail doit être analysé au regard des concepts de maintien des cycles biogéochimiques et d'ingénierie écologique. Les expériences menées aussi bien sur la Mine Boulanger qu'en microcosmes ont permis de mettre en exergue la nécessité de définir des biodescripteurs pertinents, capables de décrire l'état du système mais aussi sa probable évolution. Les indicateurs microbiens fonctionnels utilisés semblent remplir cette fonction en étant capables de rendre compte de la "performance" du système, de sa possibilité à être réhabilité ou à résister aux perturbations

Pour pré-identifier le fonctionnement d'un pilote de dénitrification au sein d'un aquifère karstifié, des investigations hydrodynamiques, hydrochimiques et biologiques ont été menées sur le Site Expérimental Hydrogéologique (SEH) de Poitiers. La caractérisation de la géométrie des écoulements par mesures de température conclut, en ambiant et en pompage, à l'existence de connexions préférentielles entre les plans karstiques. Malgré ces écoulements complexes, la connectivité entre les puits est élevée avec une restitution de soluté pouvant atteindre 90 %. La présence de bactéries dénitrifiantes hétérotrophes autochtones est vérifiée. Sans stimulation exogène, ces bactéries sont inactives au droit du SEH. Les contrastes de concentrations en nitrates s'expliqueraient alors par des processus de dilution entre masses d'eaux, l'écoulement divergent régional et les activités anthropiques dans la zone de recharge de la nappe. La stimulation des bactéries dénitrifiantes sur un pilote ex situ implanté sur le SEH permet de proposer des modèles homogénéisés de transport intégrant les effets de dénitrification en présence d'un biofilm. L'implantation du biofilm dans le milieu génère un système hétérogène à porosités multiples caractérisé par une forte variabilité des vitesses d'écoulement. Le modèle double continuum écoulement rapide vs. écoulement lent testé pour expliquer cette hétérogénéité semble le plus à même d'être transposé à l'hydrodynamique du SEH. Sur le pilote ex situ, la cinétique d'ordre 1 mimant la dénitrification est indépendante des conditions hydrodynamiques. Il importe maintenant de conduire l'expérience à l'échelle d'un doublet de puits pour valider ces résultats.

Cette thèse concerne la simulation et la commande d'un biofiltre de dénitrification. Selon que l'on considère ou que l'on néglige la diffusion, des modèles d'EDP paraboliques ou hyperboliques sont considérés. En plus des classiques méthodes des lignes, des approches spécifiques au type d'EDP sont évaluées pour simuler le système. La méthode des caractéristiques s'applique aux systèmes d'EDP hyperboliques. L'analyse modale utilisée pour les systèmes d'EDP paraboliques permet de manipuler un système d'ordre réduit. L'objectif de commande est alors de réduire la concentration en azote en sortie du réacteur sous une certaine limite, en dépit des perturbations externes et des incertitudes du modèle. Deux stratégies de commande sont considérées. Une approche "early lumping" permet la synthèse d'une loi de commande linéaire H2 de type retour de sortie avec observateur. Une approche "late lumping" associe une loi de commande linéarisante un observateur à paramètres distribués.

Les bioréacteurs à membranes (BRM), combinant l’épuration biologique des eaux usées à une étape de séparation membranaire, ont montré de très bonnes performances en matière d’élimination de la pollution organique et azotée. Cependant, cette technologie présente des surcoûts de fonctionnement liés essentiellement à l’énergie dépensée pour fournir l’aération nécessaire à l’activité biologique mais utilisée aussi pour lutter contre les phénomènes de colmatage membranaire. Afin de réduire ces besoins énergétiques, un BRM dit autotrophe a été mis en place. Il est caractérisé par une alimentation à une charge organique faible, dont plus de 60% est éliminé par un traitement physico-chimique préalable. De ce fait, le BRM autotrophe assure principalement le traitement d’azote, qui peut être affecté par la limitation en carbone organique nécessaire à la réaction de dénitrification. Ce travail a pour objectif d’étudier le comportement d’un tel système et d’identifier les paramètres déterminants. L’étude a été conduite expérimentalement et par modélisation. Deux campagnes expérimentales ont été réalisées en régime permanent à des charges organiques et des âges de boues différents, suivies d’une expérimentation en régime transitoire provoqué par une montée de la charge en azote ammoniacal. Les résultats des campagnes ont montré qu’il est possible de baisser le rapport de DCO/N jusqu’à 4,5 et l’âge des boues à 40j sans pour autant perturber la dénitrification. Ces résultats ont été appuyés par une modélisation dynamique s’appuyant sur un modèle ASM3s-SMP qui a été développé ensuite calibré sur l’ensemble des résultats expérimentaux. L’analyse du phénomène du colmatage de la membrane au cours de l’expérimentation a montré une tendance au colmatage relativement faible par rapport aux BRM opérant dans des conditions usuelles (DCO/N>10). L’effet du nettoyage mécanique induit par l’ajout d’un matériau granulaire dans le module membranaire s’est avéré peu important dans les conditions étudiées. Une modélisation en régime permanent a permis de développer les expressions des grandeurs caractéristiques du fonctionnement du BRM. Après avoir été validées par des simulations conduites en utilisant le logiciel GPS-X®Hydromantis, ces équations ont permis, au moyen d’approches de modélisation différentes (modèle simple, ASM1 et ASM3), de repérer les paramètres opératoires et cinétiques les plus influents et de déterminer par des expressions analytiques le rapport DCO/N minimal requis pour une réaction de dénitrification complète. / Membrane Bioreactors (MBR) as a combination of biological wastewater treatment and a membrane separation step, showed high performances for organic and nitrogen compounds removal. However, this technology has high running costs linked to energy consumption for aeration. The latter has to be provided for the biological activity and for the membrane scouring that reduces membrane fouling phenomena. In order to decrease these expenses, an MBR called autotrophic was set. It is marked by low organic loading rates due to a physicochemical treatment removing more than 60% of the initial organic matter amount. Mainly, the autotrophic MBR is dedicated to nitrogen removal that can be influenced by the shortage of the organic substrate, needed to achieve the denitrification process. The aim of this work is the investigation of the behavior of such system and the identification of most determining parameters. Experimental and modeling studies were carried out. Two steady state experimental campaigns were performed at different organic loading rates and solid retention times. They were followed by an experiment at transient state induced by the nitrogen loading rate rise. Obtained results proved that operation at a COD/N ratio as low as 4.5 did not hamper the denitrification efficiency. Those results were reinforced by a dynamic modeling study based on a model called ASM3s-SMP that was developed and calibrated using the experimental results. Membrane fouling analysis during experimental campaigns showed low fouling propensities compared to MBR operating at more common conditions (COD/N>10). The mechanical cleaning effect due to the addition of a granular material to the membrane module was found insignificant in the case of these operating conditions.A steady state modeling study helped determining mathematical expressions of different variables, yields and rates describing the system operation. After a validation step based on simulations with the use of the GPS-X®Hydromantis software, these expressions associated to different modeling approaches (simple model, ASM1 and ASM3) allowed pointing out the critical operating and kinetic criteria in addition to the minimum COD/N ratio required for a complete denitrification reaction.

La contamination des aquifères de proche subsurface par les intrants d'origine agricole (nitrates) est un problème mondial.L'utilisation excessive d'engrais depuis plusieurs décennies a impacté la qualité des masses d'eau souterraines et soulève des enjeux pour la santé humaine comme pour celle des écosystèmes. Les nitrates dans les aquifères peuvent être réduits en diazote gazeux par l'activité microbienne hétérotrophique (la biomasse microbienne obtenant l'énergie nécessaire à ce processus via le carbone organique issu de la surface) et/ou par l'activité autotrophique (la biomasse microbienne obtenant cette fois ci son énergie depuis une source proche, lithologique). Les taux de dénitrification sont très variables spatialement, et sont régulés par l'interaction entre la structure des flux d'eau souterrains avec l'activité biogéochimique. Localiser l'activité biogéochimique dans les aquifères est difficilement réalisable à l'échelle des bassins versants, mais paraît crucial pour la gestion des masses d'eau souterraines. Bien que les processus de l'activité microbienne ne puissent pas être entièrement résolus à l'échelle locale, ce manuscrit de thèse propose une caractérisation des taux de dénitrification à l'échelle du bassin versant, basée sur l'analyse de données et sur une approche de modélisation intégrée. Cette thèse propose d'utiliser de manière extensive des traceurs conservatifs et réactifs associés aux flux d'eau souterraine et des modèles de transport afin d'identifier les contrôles géologiques et biogéochimiques sur les capacités de dénitrification dans les aquifères. Cette méthodologie a été appliquée à un aquifère libre cristallin de 76 km² situé en Bretagne. A partir des concentrations en CFC-12, O2, NO3- et N2 dissous mesurées dans 16 puits, il a été possible de reconstituer les chroniques d'apports de nitrate dans la zone saturée et de définir les variations spatio-temporelles de la dénitrification. Il est prouvé ici que la dénitrification est en premier lieu contrôlée par la position des donneurs d'électron. Ce travail propose un cadre d'interprétation général sur la base de l'utilisation combinée et complémentaire des traceurs et sur la modélisation semi-explicite pour estimer à l'échelle régionale les capacités de dénitrification et les stocks de nitrates dans les aquifères. / Unconfined shallow aquifers in agricultural areas are contaminated by nitrates worldwide. Excessive fertilization over the last decades has affected groundwater quality as well as human and ecosystem wellbeing. Nitrate in groundwater can be microbially reduced to dinitrogen gas by heterotrophic (microbes obtaining their energy from surface-derived organic carbon) and autotrophic (microbes obtaining their energy from a lithological source) processes. However, denitrification rates are highly spatially variable, following involved interactions between groundwater flow structures and biogeochemical activity. The location of biogeochemical activity in the aquifer is difficult to access at the catchment scale, but of vast importance to gain predictive capabilities for groundwater management. Even though microbial processes cannot be resolved at the local scale, this dissertation proposes a catchment scale characterization of denitrification rates based on an integrated model- and data-driven approach. The dissertation proposes an extensive use of conservative and reactive tracers combined with groundwater flow and transport models to identify the geological and biogeochemical controls on aquifer denitrification capacities. The methodology is applied to a crystalline unconfined aquifer of 76 km2 size in Brittany, France. Based on CFC-12, O2, NO3-, and dissolved N2 concentrations measured in 16 wells, it is possible to reconstruct historical nitrate inputs to the saturated zone and to define spatiotemporal denitrification activity. It is shown that denitrification is primarily controlled by the location of electron donors. The dissertation proposes a general interpretation framework based on tracer information combined with complementary semi-explicit lumped parameter models to assess regional denitrification capacities and nitrate legacy.