Actuellement, une des solutions pour la gestion des déchets organiques est leur utilisation dans la production de biogaz via la digestion anaérobie (DA). Ce processus génère un nouveau résidu organique, le digestat, qui pose également un défi de gestion. La mouche soldat noire (MSN), *Hermetia illucens*, est considérée comme une clé pour réaliser le modèle de l'économie circulaire grâce à sa capacité à se nourrir d'une grande variété de résidus organiques tout en produisant de la biomasse animale. Cette étude visait à trouver une méthode efficace pour valoriser les digestats en tant que substrat alimentaire pour les larves de mouche soldate noire (LMSN). Notre projet a été divisé en deux parties. La première partie consistait à caractériser les digestats de différentes usines de biométhanisation au Québec. Cette analyse a révélé des différences significatives entre les usines et des variations au cours de l'année au sein de celles-ci, bien que les tendances saisonnières hypothétiques n'aient pas été confirmées. Dans la deuxième partie, sous l'hypothèse générale que la manipulation des digestats pouvait améliorer leur valeur nutritionnelle pour les LMSN. En utilisant une approche itérative, nous avons mené une série d'expériences exploratoires préliminaires et trois expériences principales pour évaluer l'impact des différentes approches sur la croissance des LMSN, en utilisant le modèle U-Gompertz pour l'analyse des données. Parmi les trois expériences principales, la première a consisté à mélanger les digestats avec un régime de référence, qui avait montré de bons résultats dans des études précédentes et qui simule des déchets de fruits et légumes provenant des épiceries. La deuxième expérience s'est concentrée sur le prétraitement des digestats par fermentation en milieu solide (FMS), et la troisième a exploré l'ajout direct d'énergie. Bien que les performances des larves nourries avec des digestats prétraités au FMS aient été décevantes, des modifications des protocoles ou de nouvelles approches pourraient donner des résultats différents. Les expériences de co-traitement et d'ajout d'énergie ont donné des résultats positifs sur la croissance des larves, faisant de ces deux méthodes des alternatives viables pour valoriser les digestats avec la MSN. La mise en œuvre de ces résultats pourrait potentiellement améliorer la durabilité économique et environnementale de la digestion anaérobie des déchets organiques. / Currently, one of the solutions for managing organic waste is its use in the production of biogas through anaerobic digestion (AD). This process generates a new organic residue, digestate, which also poses a management challenge. The black soldier fly (BSF), *Hermetia illucens*, is considered a key to achieving the circular economy model due to its ability to feed on a wide variety of organic residues while producing animal biomass. This study aimed to find an effective method to valorize digestates as a food substrate for black soldier fly larvae (BSFL). Our project was divided into two parts. The first part consisted of characterizing the digestates from different biogas plants in Quebec. This analysis revealed significant differences between the plants and variations over the course of the year within them, although hypothesized seasonal trends were not confirmed. In the second part, under the general hypothesis that manipulating the digestates could improve their nutritional value for the BSFL, we used an iterative approach. We conducted a series of preliminary exploratory experiments and three main experiments to evaluate the impact of different approaches on the growth of BSFL, using the U-Gompertz model for data analysis. Among the three main experiments, the first involved mixing the digestates with a reference diet, which had shown good results in previous studies and simulates fruit and vegetable waste from grocery stores. The second experiment focused on the pretreatment of digestates by solid-state fermentation (SSF), and the third explored the direct addition of energy. Although the performance of larvae fed with SSF-pretreated digestates was disappointing, modifications to the protocols or new approaches could yield different results. The co-treatment and energy addition experiments produced positive results on larval growth, making these two methods viable alternatives for valorizing digestates with BSF. Implementing these results could potentially improve the economic and environmental sustainability of anaerobic digestion of organic waste.

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 déchets liés à l'élevage intensif ont un impact environnemental reconnu du fait de leur composition riche en en matière organique et minérale. Il apparait opportun de promouvoir des procédés de traitement permettant de maitriser l'impact environnemental de ce retour au sol, voire d'ouvrir de nouvelles valorisations au travers de la récupération d'énergie ou de l'exportation de co-produits (azotés et phosphatés notamment). Ce travail entre dans cette démarche en proposant de compléter les étapes de digestion anaérobie de ces déchets par des étapes de séparation sur membranes perm-sélectives. Les essais ont été réalisés sur unités pilotes de laboratoire en utilisant des digestats réels de diverses origines prélevés sur sites. Pour l'étape de clarification par ultrafiltration, la conduite d'une séparation en mode tangentiel est obligatoire au regard de la concentration des suspensions à traiter. La viscosité des suspensions, d'autant plus importante que la suspension est concentrée, apparait comme un paramètre déterminant pour le choix du protocole opératoire. Dans tous les cas, l'opération d'ultra-filtration (UF) permet une rétention conséquente (de 80 à 90%) de la fraction organique encore présente dans les digestats, à l'inverse, la rétention de la fraction minérale soluble est restée négligeable comme attendu. Le seuil de coupure de la membrane d'UF n'est pas apparu déterminant sur cette rétention. Malgré le mode tangentiel de séparation, l'opération de filtration induit une accumulation de composés au voisinage de la membrane qui diminue significativement la perméabilité du milieu filtrant. Cette chute de perméabilité apparaît d'autant plus importante que la suspension présente une concentration en demande chimique en oxygène (DCO) élevée. Ce critère apparaît alors comme le facteur limitant pour atteindre un facteur de concentration volumique (FCV) élevé (réduction des volumes). La surface membranaire à développer est directement liée à la perméabilité membranaire, elle-même dépendante de la concentration de la suspension à traiter donc de la nature du digestat et du FCV à atteindre. Le coût opérationnel de l'opération apparaît directement lié à l'énergie nécessaire pour assurer le mode tangentiel de filtration. Pour l'étape de concentration des sels d'intérêts, la rétention des composés minéraux solubles par osmose inverse haute pression dépasse 90% quels que soient les ions ciblés ou l'origine du digestat. A l'inverse, cette rétention est dépendante de l'ion ciblé et de l'origine du digestat pour les opérations de nano-filtration et d'osmose inverse basse pression. Dans tous les cas, la rétention de la fraction organique résiduelle est importante (>90%) permettant une décoloration du perméat très poussée (elle dépend toutefois du seuil de coupure de la membrane et du FCV choisi). La perméabilité membranaire diminue d'autant plus que la conductivité électrique (CE) de la solution à traiter est importante du fait de la pression osmotique et de l'accumulation de composés solubles au voisinage de la barrière membranaire. Cette conductivité, dépendante du digestat initial et du FCV choisi, apparaît alors comme le paramètre déterminant pour le dimensionnement de l'unité. Sur le plan énergétique, l'énergie liée à la mise sous pression des unités NF/OI est dominante par rapport à la circulation tangentielle du rétentat. Ce travail a permis de confirmer l'intérêt des séparations membranaires pour le traitement des digestats, afin d'une part, d'obtenir une eau de qualité permettant sa réutilisation ou son rejet dans le milieu naturel et d'autre part de récupérer et de concentrer des composés d'intérêt dans les différents rétentats. Ce travail a fait l'objet d'un soutien financier de l'ANR dans le cadre du programme BIOENERGIE 2010 (projet DIVA). / Intense spreading of livestock wastes are recognized to be detrimental to the environment due to their content of organic matter and mineral fraction. Then, it would appear to be necessary to promote greens treatments processes. In fact, anaerobic digestion allows the production of biogas (extremely useful source of renewable energy), whilst digestate should be a highly valuable biofertilizer This work enters in this approach by proposing to complete anaerobic digestion steps by the use of perm-selective membrane separation process. The first step is a clarification step by ultrafiltration, following by a soluble mineral concentration step by nanofiltration, low pressure and/or high pressure reverse osmosis (LPRO, HPRO). The tests were performed in a laboratory-scale pilot unit using real digestates. For clarification step, a cross-flow mode separation is obligate in view of suspended solid concentrations and viscosity which appeared as a determining factor for the choice of operative protocol. In any case, the ultra-filtration operation allows a high organic retention rate (of 80 to 90%). Conversely, soluble mineral retention remained at negligible as expected. The cut-off of ultrafiltration membrane is not a determining factor for this retention. Despite the cross-flow mode separation filtration induces a compound accumulation on the membrane which decreases significantly the permeability of filtering media. This permeability drop appears greater when suspension presents a high COD concentration. This criterion appears as a limiting factor to achieve a high volumic concentration factor (VCF). Membrane surface to develop is then directly related to the membrane permeability which depends on the digestate origin and VCF. The operational cost is linked directly to the energy required to ensure cross-flow mode. The retention of soluble mineral compounds by HPRO exceeds 90% whatever the target ions or the origine of digestate are. However, for NF and LPRO steps, this rejection depends on the target ions or the origine of digestate. In any case, organic retention is important (more than 90%) which allows significant discoloration of permeate. The, the more the electronic conductivity (EC) is, the more permeability decreases of suspension is important, due to an osmotic pressure and soluble compound accumulation on the membrane that increases with EC. This conductivity depends on initial digestate and, of course, of the chosen VCF target, which appears as decisive parameter for unit dimensioning. On the efficient energy, energy linked to separation step chosen is dominant in the absence of cross-flow mode of retentate. This work has allowed to confirm the potential interest of membrane separation to (i) obtain a final effluent: named fresh or new water and (ii) and (ii) to allow the production of liquid fertilizers.This work is financially supported by the National French Agency (Bio-Energy Program 2010, DIVA Project) and by TRIMATEC competitiveness cluster.

Surges of Sargassum have become more severe and at the time of writing the largest surge yet is set to hit the Caribbean islands, affecting tourism and marine life negatively. Tourism is Grenada’s single handedly largest economic sector, which is why it is important to research the use of Sargassum. Furthermore, for its fertiliser needs, Grenada relies largely on importing inorganic fertiliser, which has become more expensive in recent years. Sargassum as feedstock for biogas digesters and utilising the digestate as fertiliser could be a viable option, but challenges include high heavy metal content and low concentration of nutrients compared to inorganic fertiliser. The aim of this project is to examine heavy metals contents in digestate derived from Sargassum and gaining knowledge about the current agricultural situation, with regards to fertiliser, through interviewing farmers and relevant political figures. The results from the heavy metal analysis of the liquid digestate showed that the concentration of both arsenic and cadmium were below the average for commercial organic fertilisers. However, further testing is considered to be required to conclude whether the product is suitable to use. Gathered from the interviews was that many farmers were concerned about the impact inorganic fertiliser had on the land, however, the choice of fertiliser was, in general heavily dependent on which type was available. Sargassum-based digestate could be viable on the island but challenges of reducing, transporting and separating heavy metals from the digestate have to be solved making it difficult for the Sargassum to be cost-effective. Furthermore, the farmers were very clear that they wanted a product which was safe to use. / Sargassumblomningar har blivit allvarligare och i skrivande stund väntas den största vågen hittills att drabba de karibiska öarna, vilket har en negativ påverkan på turismen och det marina livet. Turismen är Grenadas enskilt största ekonomiska sektor, och därför är det viktigt att undersöka användningsområdet för Sargassum. Dessutom är Grenada, för sitt gödselbehov, till stor del beroende av import av oorganiskt gödningsmedel, vilket har ökat i pris de senaste åren. Sargassum som inmatning för biogasrötningsanläggningar och användning av rötrester som gödningsmedel skulle kunna vara ett lönsamt alternativ, men utmaningarna är bland annat det höga innehållet av tungmetaller och den låga koncentrationen av näringsämnen jämfört med oorganiska gödningsmedel. Syftet med detta projekt är att undersöka innehållet av tungmetaller i digestat från Sargassum och att få kunskap om den nuvarande jordbrukssituationen gällande gödningsmedel genom att intervjua jordbrukare och relevanta politiker. Resultatet av den tungmetallanalys som genomfördes av det vätskeformiga digestatet visade ett innehåll av kadmium och arsenik som låg under medelvärdet för kommersiella organiska gödningsmedel. Däremot är vidare testning är nödvändig för att säkerställa att produkten är lämplig att använda. Intervjustudien visade att många jordbrukare var oroade över hur oorganiska gödselmedel påverkar marken, men att valet av gödselmedel i allmänhet var starkt beroende av vilken typ av gödningsmedel som fanns tillgängligt. Sargassumbaserat digestat skulle kunna vara lönsamt för användning på ön, men problemen med reducering, transport och separering av tungmetaller från digestatet måste lösas, vilket gör det svårt för Sargassum att vara kostnadseffektivt. Bönderna var slutligen tydliga med att digestatet från Sargassum behövde generera en ökning eller likvärdig produktion av deras grödor.

A ce jour, le contexte énergétique mondial est dominé par une utilisation massive des énergies fossiles non-renouvelables et épuisables par nature. La production de biohydrogène de 2ème génération issu de déchets organiques par le procédé de fermentation sombre constitue donc une solution attractive pour diversifier le mix énergétique actuel. Dans ce cadre, l’objectif de ce travail est d’étudier l’influence de la qualité du mélange sur l’efficacité de la voie fermentaire sombre. En effet, les conditions d’agitation mécanique (type d’agitateur, vitesse d’agitation) et la viscosité du digestat (fonction des intrants en cours de culture), comptent parmi les paramètres abiotiques les moins étudiés à ce jour dans ce procédé. Or, l’agitation joue un rôle clé puisqu’elle doit permettre non seulement d’homogénéiser la phase liquide riche en bactéries, en substrats organiques, en métabolites et en biogaz soluble, mais aussi de favoriser les échanges de matière liquide-bactéries et liquide-gaz. Cependant, pour atteindre la qualité de mélange requise, il faut faire face à deux contraintes : d’une part il faut maintenir un niveau acceptable de stress mécanique pour les bactéries du consortium ; d’autre part, la puissance mécanique consommée par l’agitation doit rester limitée pour assurer la viabilité économique du procédé. Dans ce travail, les effets combinés de la viscosité du digestat et de la vitesse d’agitation des mobiles sur la production de biohydrogène dans un bioréacteur ont été étudiés dans un premier temps. Les résultats ont montré une influence significative de ces deux facteurs sur la productivité en biohydrogène qui a pu être reliée au nombre adimensionnel de Reynolds et au régime d’écoulement du digestat. Un maximum de productivité a été observé lors de la transition laminaire-turbulent. Dans un deuxième temps, des méthodes de détermination du temps de mélange (conductimétrie, décoloration chimique, Fluorescence Induite par Nappe Laser) et du transfert de matière liquide-gaz (désoxygénation/oxygénation) ont été mises en oeuvre dans les mêmes conditions de viscosité et d’agitation afin de rechercher les étapes limitantes pouvant expliquer les évolutions observées lors des essais de fermentation. Les résultats ont montré que transfert interfacial et mélange ne sont limitants qu’en régime laminaire, alors que les faibles productivités en régime turbulent résultent vraisemblablement d’une interaction entre la turbulence et les agrégats bactériens. Ensuite, l’écoulement dans le bioréacteur a été modélisé par une approche de type Mécanique des Fluides Numérique (CFD) et analysé par une méthode de Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) afin de déterminer les échelles spatiales locales de la turbulence et de pouvoir les comparer à la dimension caractéristique des agrégats bactériens. Les mesures locales confirment les hypothèses émises à partir des valeurs moyennes observées. Finalement, un modèle de type ADM1 (Anaerobic Digestion Model N°1) standard a été modifié en prenant en compte les ions lactate et un modèle hydrodynamique de type « cascade de cellules » dans le but de simuler la production de biohydrogène en systèmes batch et continu. Les simulations sont en bon accord avec les résultats expérimentaux dans les deux modes de culture en supposant un réacteur parfaitement mélangé. En conclusion, l’ensemble de ce travail confirme que la viscosité du digestat et les conditions de mélange sont effectivement des paramètres essentiels à prendre en compte pour l’optimisation et l’extrapolation du procédé de fermentation sombre. / The global energy trends are currently dominated by a massive use of fossil non-renewable energy sources which are progressively depleting. In this way, the production of second-generation biohydrogen production from organic wastes by the dark fermentation process offers, therefore, an attractive solution to diversify the present energy mix. Within this framework, the aim of this work is to investigate the effect of the efficiency of the mixing process on dark fermentation. The conditions of mechanical agitation (mixer type, mixing speed) and the viscosity of the digestate (which depends on the variability of influent substrate concentration) are, indeed, among the abiotic factors that have been the most disregards up to now in this bioprocess. For example, mixing plays a key role because agitation conditions must ensure on the one hand the homogenization of the liquid phase enriched in bacteria, in organic substrate, in soluble metabolites, and in soluble biogas, and in the other hand promote liquid-to-bacteria and liquid-to-gas mass transfer. However, to reach the desired degree of mixing, two constraints must be faced: firstly, an acceptable level of mechanical stress must be maintained on the microbial consortium, and secondly, mechanical power input due to mixing must comply with the economic sustainability of the process. In this work, the combined effects of digestate viscosity and agitation conditions on the fermentative biohydrogen production in the bioreactor were studied first. Experimental results highlighted a significant effect of these factors on biohydrogen productivity which could be expressed as function of the purely hydrodynamic dimensionless Reynolds number and of the prevailing flow regime. Hydrogen production was maximized in the transition region between laminar and turbulent flow conditions. Secondly, experimental measuring methods of mixing time (conductimetric, chemical decolorization and Planar Laser Induced Fluorescence techniques) and mass transfer (dynamic deaeration/aeration) were implemented in the same conditions of viscosity and agitation conditions so as to investigate the possible limiting steps that could explain the trends observed in the mixed cultures. The results proved that mixing and liquid-gas transfer was slower than hydrogen production rate only in the laminar flow regime, while low production rate under turbulent flow conditions might stem from an interaction between turbulent eddies and bacterial aggregates. Then, the flow field in the bioreactor was simulated using a CFD (Computational Fluid Dynamics) methodology and analyzed experimentally using PIV (Particle Image Velocimetry) to determine the characteristic turbulent length scales and to compare them to the characteristic size of the bacterial aggregates. Local measurements confirmed the assumptions made from average values derived from power input data. Finally, a modified ADM1 model (Anaerobic Digestion Model N°1) was developed to simulate the biohydrogen production, accounting for lactate ions and non-ideal mixing, under batch and continuous culture conditions. Simulations fairly agree with experimental data in both modes of cultures assuming perfect mixing condition. As a conclusion, the present work as a whole confirms that digestate viscosity and mixing conditions constitute key parameters that must be considered for process optimization and for the scale-up of dark fermentation.

Intégrée dans une unité de production de sucre et d'éthanol, la digestion anaérobie peut fournir une solution écologique pour traiter la matière organique tout en fournissant l'énergie qui peut, en partie, couvrir les besoins énergétiques de l'usine. L’objet de cette thèse de doctorat est la compréhension et l’optimisation de la méthanisation des coproduits de sucrerie et de distillerie de betterave dans l’optique d’une intégration industrielle du procédé. D’une part, la faisabilité de la digestion des pulpes en mono-substrat et sans dilution en réacteur parfaitement agité a été démontrée. La digestion thermophile s’est révélée efficace et stable jusqu’à une charge organique comprise entre 5 et 5,9 kg MO/m3.j. La biodégradabilité des pulpes est élevée, le taux d’abattement de matière organique de 88,1% et la production spécifique de méthane de 0,353 Nm3 CH4/kg MO. Des contraintes technologiques spécifiques aux pulpes, comme par exemple les phénomènes de moussage ou d’abrasion des pompes, ont été mises en évidence.D’autre part, la méthanisation des vinasses en conditions mésophiles a révélé les limites du procédé parfaitement agité. La charge maximale, autour de 3 kg DCO/m3.j, a permis d’obtenir une production spécifique de méthane de 0,353 Nm3 CH4/kg MO mais l’accumulation de sels d’acides gras volatils, y compris à faible charge organique, indique un déséquilibre entre les flores acidogène et méthanogène. D’un point de vue biologique, il semble que c’est la concentration élevée en sels des vinasses (C=31,7 mS/cm et [K]=14 g/L), qui représenterait le frein principal au développement et à l’activité des microorganismes. L’utilisation du modèle AM2, qui distingue deux phases, acidogénèse et méthanogénèse, a mis en évidence un faible taux de croissance spécifique des archées méthanogènes. L’extraction partielle des sels par électrodialyse a permis de lever une partie de cette inhibition, tandis que leur dilution a permis, à charge organique équivalente, de diminuer le temps de séjour d’un facteur 4 sans altérer les performances de la méthanisation, ceci en diminuant les concentrations en acétate et propionate dans le digesteur. Pour permettre l’intensification du procédé, le recyclage des microorganismes dans le digesteur a été étudié et a permis d’atteindre une charge organique de 6 à 7 kg DCO/m3.j. Enfin, la caractérisation des digestats de méthanisation a permis d’envisager leurs différentes voies de traitement (évapoconcentration, séparation solide/liquide,…) et de vérifier leurs caractéristiques agronomiques.En perspective, Cristal Union envisage la construction d’un démonstrateur permettant de tester différentes configurations à l’échelle industrielle. Le traitement successif des coproduits selon leur disponibilité, les pulpes en campagne sucrière, puis les vinasses en intercampagne, est envisagé. Les phases de transition entre ces deux périodes ont été étudiées et la faisabilité d’une alimentation mixte, sans réduction de la charge, démontrée. Dans cette optique, notre choix se porterait sur des conditions de température mésophiles, plus favorables au traitement d’un produit tel que les vinasses. Un système de recyclage de la biomasse est alors indispensable. / The growing international demand for energy and water constitutes a significant challenge for modern industry. Integrated in a sugar and ethanol factory, anaerobic digestion can provide an environmentally friendly solution by using organic matter co-products to provide energy that can partially cover the factory’s needs. The purpose of this doctoral thesis is the study of the anaerobic digestion of sugar beet pulps and distillery vinasses. We used a multiscale approach to achieve the two main objectives: understanding the biological phenomena involved and analyzing the technological problems that can occur in the digesters. We first demonstrated the feasibility of the anaerobic digestion of beet pulps in a continuously stirred tank reactor (CSTR) without water addition. Thermophilic digestion was effective and we achieved a high degradation of pulps with satisfactory biogas yields. The thermophilic process could operate stably up to an organic loading rate of 5 to 5,9 kg VS.m-3.d-1. The biodegradability of pulps was very high and allowed to obtain a VS destruction of 88,1% with a specific methane production of 0,353 Nm3 CH4.kg-1 VS. Next, the mesophilic anaerobic digestion of vinasses revealed the limits of the CSTR process for the treatment of this high strength distillery wastewater. The maximum loading rate reached was between 2 and 3 kg COD.m-3.d-1, with a specific methane production of 0,344 Nm3 CH4.kg-1 VS. However, the accumulation of volatile fatty acid salts, even at low organic loading rates, indicated an imbalance between acidogenic and methanogenic microflora. From a biological perspective, we assumed that the high salt concentration of vinasses (up to 41,3 mS/cm) is the main obstacle to the development and activity of microorganisms, as a two-reaction model (AM2) showed low specific growth rate of methanogens. The partial extraction of salts by electrodialysis allowed to remove a part of this inhibition, while their dilution led, at equivalent organic loading rate, to the reduction of the residence time by a factor 4. This was achieved without decreasing methane yield, while also reducing concentrations of acetate and propionate in the digester. To enable process intensification, biomass recycling in the digester, after the centrifugation, was tested to compensate for their low specific growth rates; loading rates reached 7 kg COD.m-3.d-1. We subsequently put in place a strategy for digesters control, to ensure effective monitoring. Finally, we had to characterize the digestates and to consider their different treatment paths. (evapoconcentration, solid / liquid separation, ...) before final valorization. For the industrial scale up, we envisage the successive treatment of the coproducts according to their availability: pulps during the sugar campaign and then vinasses in the intercampaign. As such, we also studied the transition periods and demonstrated the feasibility of a mixed feed, without reducing the loading rate. For such a project, we would choose mesophilic temperature conditions, more favorable for the treatment of a product like vinasses. A system for biomass recycling, whose efficiency was demonstrated, must be installed when the vinasses are treated. The system needs to be compatible with the treatment of the two substrates proposed, for example centrifugation or filtration.

Les conditions de culture de microalgues autotrophes en système ouvert associant microalgues / bactéries ont été étudiées au cours de ce travail de thèse. L'objectif était de développer un procédé de valorisation des nutriments (N, P) contenus dans la phase liquide des digestats issus de méthanisation agricole. Dans un premier temps, une synthèse sur les filières de méthanisation suivi d'un état de l'art sur les microalgues et leurs conditions de culture ont permis de mettre en évidence les principaux paramètres d'influence spécifiques à l'influent étudié, tels que la coloration, et les interactions avec les processus de nitrification/dénitrification. Ainsi, dans le but de mieux comprendre les mécanismes et d'évaluer les impacts des paramètres principaux, un pilote de laboratoire composé de 6 réacteurs de 2,5 litres a été conçu et des analyses spécifiques ont été développées au laboratoire. A partir de ces outils, l'effet de la couleur et de la lumière sur la pénétration de la lumière et sur la croissance algale a été quantifié. Ensuite, l'influence du ratio N/P du milieu a été testée, ce qui a permis de mettre en exergue le stockage du phosphore par les microalgues, leur permettant de continuer leur croissance lorsque le phosphore du milieu est épuisé. Par la suite, le transfert du dioxyde de carbone et son impact sur la croissance des microalgues ont été étudiés. La productivité algale est fonction de la quantité de CO2 fournie à la culture et chute à 0 sans injection. Enfin, l'étude du temps de séjour des solides et de leur fréquence d'extraction a révélé que la nitrification-dénitrification est un mécanisme important d'élimination de l'azote dans une culture algale en continu et en système ouvert. Il peut même s'avérer prédominant par rapport à l'assimilation de l'azote par les microalgues dans certaines conditions. La proportion de chacun de ces processus peut néanmoins être contrôlée par ces paramètres. Ces expérimentations ont par ailleurs permis de mieux comprendre les interactions entre microalgues et bactéries nitrifiantes ainsi que la prédominance des genres d'algues en fonction des conditions de culture. Les microalgues sont de meilleures compétitrices sur le phosphore que les bactéries nitrifiantes. De plus, lorsque le phosphore n'est pas limitant, la nitrification est réduite en proportion de la productivité algale. En cas de limitation en phosphore et avec une faible lumière disponible, les genres d'algues qui se sont montrés dominants sont Scenedesmus sp. et Chlorella sp. Respectivement. Les essais expérimentaux ont été complétés par le développement ou l'adaptation de modèles biocinétiques capables de représenter la croissance algale et l'épuration assez fidèlement. A partir de cette modélisation, différentes configurations ont été simulées pour dimensionner un lagunage algal à haut rendement et ainsi mieux comprendre et apprécier la faisabilité d'une culture algale pour extraire les nutriments des digestats. / The culture conditions of autotrophic microalgae in open system associating microalgae/bacteria were studied in this thesis. The objective was to develop a process to valorize nutrients (N, P) contained in the liquid phase of digestate coming from agricultural methanization. First, a synthesis of anaerobic digestion process followed by a state of art on microalgae and their culture conditions allowed to highlight the main parameters specific to the studied influent, such as coloration, and the interactions with nitrification-denitrification processes. To better understand the mechanisms and study the impact of the main parameters, a laboratory-scale pilot composed of six 2.5L-reactors was designed and specific analyses were developed at the laboratory. With the help of those tools, effects of color and light on light penetration and on microalgae growth were quantified. Then, the study of the N:P ratio of the medium allowed to highlight the phosphorus storage by microalgae, allowing them to continue their growth while the phosphorus of the medium was depleted. Thereafter, the carbon dioxide transfer and its impact on microalgae growth were studied. The algal productivity is a function of the quantity of provided CO2 into the culture and fall to zero without injection. Finally, the study of solid retention time and extraction rate revealed that nitrification-denitrification is an important mechanism for nitrogen removal in a continuous algae culture in open system. This mechanism may even be predominant compared to nitrogen assimilation by microalgae under certain conditions. The proportion of each of these processes may still be controlled by these parameters. These experiments have also provided insight into the interactions between microalgae and nitrifying bacteria and the predominance of algae genera depending on culture conditions. Microalgae are better competitors on phosphorus than nitrifying bacteria. Furthermore, in non-limiting phosphorus conditions, nitrification is reduced in proportion to algal productivity. Scenedesmus and Chlorella proved to be dominant respectively when phosphorus and light are limiting. The experimental trials were completed by the development or the adaptation of biokinetic models able to represent quite accurately microalgae growth and nitrogen removal. From this model, different configurations were simulated to design high rate algal pond and assess the feasibility of the algal culture to extract nutrients from digestate.

La digestion anaérobie est un processus biologique de transformation de la matière organique permettant la production d’énergie sous forme de biogaz et de fertilisant sous forme de digestat. C’est une filière émergente en France, dont les objectifs de développement sont ambitieux. Le développement d’une filière industrielle sur l’ensemble du territoire Français nécessite la mise en oeuvre d’outils d’aide à la décision.Dans le cadre de cette Thèse nous proposons d’évaluer le potentiel de développement de la méthanisation collective, territoriale et agricole par injection du biogaz dans les réseaux de gaz naturel. Les travaux de recherchent portent sur trois axes : (1)l’évaluation du potentiel de mobilisation de biomasse d’origine agricole ; (2) la conception et l’étude de la viabilité économique de « modèle type » d’usine de méthanisation ; (3) l’évaluation de la performance technico-économique d’une exploitation agricole ayant recours à la méthanisation dans but d’accroitre son autonomie face aux énergies fossiles et aux engrais chimiques.Sur le premier volet, nous avons réalisé une étude cartographique des gisements agricoles mobilisables. Nous avons localisé et quantifié les quantités de coproduits de cultures et d’effluents d’élevage présent sur le territoire Français. Nous avons mis en évidence que le potentiel de mobilisation de biomasse agricole est de l’ordre de 57millions de tonnes de matière sèche. Ceci correspond à une production énergétique maximale de l’ordre de 158 TWh/an.Sur le deuxième volet, nous avons conçu des « modèles types » d’usines de méthanisation de différentes tailles, dont le biogaz est valorisé en biométhane par injection dans le réseau. Pour chacun des « modèles types » nous avons comparé la viabilité technico-économiques des modèles selon différentes « recettes » de biomasse. L’évaluation met en avant que pour chaque « modèle type », il existe un nombre limité de « recettes » permettant à chacun d’entre eux de trouver un équilibre technico-économique.Sur le troisième volet, nous nous sommes intéressés à l’autonomie azote et carburant que pourrait atteindre une exploitation agricole en méthanisant des cultures énergétiques dédiées de légumineuse. L’évaluation a été menée sur des fermes présentant des configurations différentes d’assolement et de rendement. Nous avons mis en évidence les conditions nécessaires pour que chaque configuration de ferme puisse atteindre l’autonomie. Il en ressort que dans certaines conditions, une exploitation « autonome » présente des marges brutes supérieures à celle d’une exploitation conventionnelle. / Anaerobic digestion is a biological process of transformation of organicmatter allowing the production of energy in the form of biogas and fertilizer in the formof digestate. It is an emerging sector in France, whose development objectives are ambitious. The development of an industrial sector throughout the French territory requires the implementation of decision support tools.As part of this thesis, we propose to evaluate the development potential of collective,territorial and agricultural methanation by injecting biogas into natural gas networks.Research work focuses on three axes: (1) the evaluation of the biomass mobilization potential of agricultural origin; (2) the design and study of the economic viability of a"typical model" of methanation plant; (3) the evaluation of the technical and economic performance of a farm using methanation in order to increase its autonomy in the face of fossil fuels and chemical fertilizers.We first carried out a cartographic study of mobilizable agricultural deposits. The quantities of co-products of crops and livestock effluents present on the French territor ywere located and quantified. Thus, we have shown that the potential for mobilization of agricultural biomass is of the order of 57 million tons of dry matter. This corresponds to a maximum energy production of about 158 TWh / year.And second, we have designed "model models" of biogas plants of different sizes,whose biogas is valorized in biomethane by injection into the network. For each of the"standard models" we compared the techno-economic viability of the models according to different "recipes" of biomass. The evaluation points out that for each "standard model" there is a limited number of "recipes" allowing each of them to find a technoeconomic balance.Finally, we focused on the nitrogen and fuel autonomy that an agricultural operationcould achieve by methanising dedicated energy crops of legumes. The assessment was conducted on farms with different rotational and yield configurations. We have highlighted the conditions necessary for each farm configuration to achieve autonomy.It shows that under certain conditions, an "autonomous" farm has gross margins higher than that of a conventional farm.