La phase de démarrage est une étape critique pour les opérateurs de digesteurs anaérobies en raison des instabilités rencontrées, qui peuvent entraîner une réduction du flux de déchets à traiter, voire un arrêt complet du digesteur, nécessitant un redémarrage. Ces problèmes entraînent des pertes économiques importantes dues à l'accumulation de déchets organiques et à des coûts d'exploitation non optimaux de l'usine de biogaz (chauffage, moteurs, etc.). Ce projet de thèse vise à développer des approches pour comprendre les dynamiques de la phase de démarrage afin de permettre une application efficace, l'élaboration de protocoles standardisés et une prise de décision éclairée. Pour ce faire, la thèse a été divisée en deux phases : 1) la Phase 1 est conçue pour définir les principes fondamentaux menant à des phases de démarrage réussies, et 2) la Phase 2 vise à établir des lignes directrices pour la prise de décision afin d'optimiser la sélection et la mise en œuvre de l'inoculum dans les digesteurs anaérobies. Dans la phase 1, les principes de base de la digestion anaérobie sont définis au chapitre 1, suivis des particularités de la phase de démarrage au chapitre 2. Ainsi, les défis uniques liés à la phase de démarrage ont été soulignés et l'importance de l'inoculum au cours de la planification du démarrage a été mise en évidence. La plupart des données expérimentales examinées sont ensuite normalisées et compilées dans une base de données au chapitre 3. Cela a permis d'appliquer des méthodes statistiques et d'apprentissage automatique pour saisir les corrélations cachées entre les paramètres étudiés et la durée du démarrage. La base de données développée comprenait 90 % de cas de démarrage réussis et 10 % de cas d'échec, résumant efficacement les conditions conduisant à des cas de démarrage réussis. L'étude de l'effet des paramètres d'exploitation sur la durée de la phase de démarrage a mis en évidence l'importance du contrôle du régime d'alimentation pendant la phase de démarrage en maintenant un temps de rétention hydraulique (TRH) suffisamment bas, même si le contenu organique de substrat est élevé, grâce à une gestion optimale du taux de charge organique (TCO) sans dilution de substrat. Cependant, la base de données développée n'a pas pu capturer l'impact de l'inoculum sur la durée de démarrage en raison du manque de détails rapportés dans la littérature. Par conséquent, la deuxième phase se concentre sur le développement de lignes directrices pour une meilleure sélection et mise en œuvre de l'inoculum dans les digesteurs anaérobies. Dans un premier temps, les indicateurs pertinents de la performance de l'inoculum liés à la température et aux caractéristiques sont identifiés au chapitre 4 par le biais d'expériences en batch. Les concentrations initiales d'ammoniac total, d'alcalinité, d'acides gras volatiles (AGV) et la température de l'inoculum sont les principales caractéristiques reflétant la diversité bactérienne et la cinétique de l'inoculum. Le chapitre 5 étudie l'impact de la stabilisation de l'inoculum et de la réponse à des événements d'alimentation extrêmes sur la phase de démarrage au cours d'une expérience semi-continue de 115 jours. Lors d'événements d'alimentation extrêmes, le digestat thermophile stabilisé a montré une plus grande sensibilité aux charges organiques élevées, alors que le réacteur ensemencé avec du digestat thermophile frais a été plus influencé par la suspension de l'alimentation. Une fois que les deux digesteurs ont atteint le régime permanent, des différences mineures ont été observées entre les deux réacteurs. Enfin, le chapitre 6 met en évidence l'effet du choix de l'inoculum sur les performances économiques des systèmes de digestion anaérobie. Il a été constaté que la matière digérée (digestat) utilisée comme inoculum conduit à une meilleure performance des réacteurs pendant la phase de démarrage que la matière non digérée (boues municipales). En effet, le coût de production d'un mètre cube de méthane et de traitement d'un kilogramme de solides volatiles (SV) dans le digesteur inoculé avec du digestat était respectivement 18 et trois fois moins élevé que dans le digesteur inoculé avec des boues municipales diluées. Tout au long de ce projet de doctorat, les fondamentaux et les principes de la phase de démarrage sont présentés, suivis par le développement de lignes directrices pour la prise de décision concernant la sélection et la mise en œuvre de l'inoculum. / The start-up phase is a critical step for anaerobic digester operators due to the instabilities encountered, which can lead to a reduced flow of waste to be treated or even a complete shutdown of the digester, necessitating a restart. These issues result in significant economic losses due to the accumulation of organic waste and non-optimal operating costs of the biogas plant (heating, motors, etc.). This PhD project aims to develop knowledge-based approaches to understand the dynamics of the start-up phase for efficient application, the development of standardized protocols, and informed decision-making. To achieve this, the thesis has been divided into two phases: 1) the first phase is designed to define the fundamentals leading to successful start-up phases, then 2) the second phase targets the establishment of decision-making guidelines for optimizing the selection and implementation of the inoculum in anaerobic digesters. In Phase 1, the basic principles of anaerobic digestion are defined in Chapter 1, followed by the particularities of the start-up phase in Chapter 2. As such, the unique challenges related to the start-up phase have been outlined and the importance of the inoculum during the start-up planning has been highlighted. Most of the reviewed experimental data are then standardized and compiled into a database in Chapter 3. This allowed for applying statistical and machine learning methods to capture hidden correlations between the studied parameters and start-up duration. The developed database included 90 % successful and 10 % failed start-up cases, effectively summarizing conditions leading to successful start-up cases. The study of the impact of operating parameters on the start-up phase duration highlighted the importance of controlling the feeding regime during the start-up phase by maintaining sufficiently low hydraulic retention time (HRT), even if the organic content of the feed is high, through optimal organic loading rate (OLR) handling without feed dilution. However, the developed database couldn't capture the impact of the inoculum on the start-up duration due to insufficient reported details in the literature. Therefore, the second phase focuses on developing guidelines for the enhanced selection and implementation of the inoculum in anaerobic digesters. Initially, relevant indicators of inoculum performance related to temperature and characteristics are identified in Chapter 4 through batch experiments. Initial concentrations of total ammonia, alkalinity, VFA, and inoculum temperature were the main characteristics reflecting inoculum bacterial diversity and kinetics. Chapter 5 studies the impact of inoculum stabilization and response to extreme feeding events on the start-up phase during a 115-day semi-continuous experiment. Under extreme feeding events, the stabilized thermophilic digestate showed greater sensitivity to high organic loads, whereas the reactor seeded with fresh thermophilic digestate was more affected by feed suspension. Once both digesters reached the steady-state, minor differences were observed between the two reactors. Finally, Chapter 6 highlights the impact of inoculum choice on the economic performance of anaerobic digestion systems. It has been found that digested material (digestate) used as inoculum leads to a better performance of reactors during the start-up phase than undigested material (municipal sludge). Indeed, the cost of producing one cubic meter of methane and processing one kilogram of volatile solids (VS) in the digester inoculated with digestate was 18 and three times cheaper, respectively, than in the digester inoculated with diluted municipal sludge. Throughout this PhD project, the fundamentals and principles of the start-up phase are presented, followed by the development of decision-making guidelines for inoculum selection and implementation.

Ce mémoire de maîtrise présente en détail le projet de recherche sur la valorisation des boues de procédé de l'entreprise Celanese, manufacturier de polymères situé à Boucherville. Les boues, contenant principalement du poly acétate de vinyle, sont présentement destinées à l'enfouissement, ce qui entraine des dépenses économiques importantes ainsi qu'un impact négatif sur l'environnement. Ce projet a comme objectif d'étudier la faisabilité de la digestion anaérobie comme solution de valorisation et de proposer la meilleure option de valorisation à Celanese. En premier lieu, une mise en contexte présente la compagnie Celanese et les objectifs du projet. Puis, le premier chapitre présente en détail la digestion anaérobie, son utilité et la théorie associée au test de potentiel biométhanogène. Ensuite, la méthodologie présente les étapes effectuées par l'étudiant pour répondre aux objectifs du projet. La méthodologie inclut les étapes de l'échantillonnage, la caractérisation, le test de potentiel biométhanogène et les prétraitements aux boues pour améliorer les résultats. La section résultats présente par la suite les résultats de la caractérisation et des deux essais du test de potentiel biométhanogène. Finalement, une analyse technico-économique est présentée à la fin pour évaluer la rentabilité du projet. Les recommandations finales indiquent que la digestion anaérobie des boues non traitées n'est pas réalisable en raison du manque de production de gaz. De son côté, la digestion anaérobie des boues traitées améliore la production, mais l'analyse économique préliminaire indique que le projet ne serait pas rentable selon les critères de Celanese. Le dernier chapitre présente une alternative à la digestion anaérobie, soit la pyrolse. Les résultats d'une analyse thermogravimétrique semblent montrer que la pyrolyse est prometteuse. La recommandation générale du projet est d'évaluer dans le futur la pyrolyse des boues de Celanese plutôt que la digestion anaérobie. / This Master thesis presents the details of the research project concerning the valorization of process sludge of Celanese, polymers manufacturer located in Boucherville. Their sludge, containing mainly polyvinyl acetate, is currently destined to landfilling, which causes economic and environmental problems to the company. The objective of this project is to study the feasibility of anaerobic digestion as a solution of the valorization and to recommend the best solution to Celanese. First, the general context of the project is presented, with presentation of the company Celanese and the project objectives. Then, the first chapter presents in detail the anaerobic digestion, its utility and the theory related to the biomethane potential test. Then, the methodology chapter presents the different steps of the project according to its objectives. Methodology includes sampling, characterization, the biomethane potential test and the pretreatment to improve methane production. Results chapter then presents results of characterization and both tests of biomethane potential. Finally, a technical and economic analysis is presented to evaluate the profitability of the project. Final recommendations indicate that anaerobic digestion of untreated sludge is not possible because of the lack of biogas production. Anaerobic digestion of treated sludge improves biogas production, but economic analysis shows that treatment would not be profitable according to the Celanese's economic criteria. The final chapter presents the alternative option to anaerobic digestion, which is pyrolysis. Results from a thermogravimetric analysis indicate that pyrolysis might be a promising solution. The general recommendation of this project if to evaluate pyrolysis of Celanese's sludge as a future alternative to anaerobic digestion.

Cette étude porte sur l'évaluation de la performance d'un procédé biologique visant â réduire la concentration en sulfure d'hydrogène (H[indice inférieur2]S) présent dans le biogaz. De l'air est injecté dans la phase gazeuse d'un bioréacteur de digestion anaérobie (ratio volumique air/biogaz=1/20) de telle sorte à assurer à la surface du liquide, une zone en micro-aérobie.Cette recherche s'intéresse spécifiquement aux boues anaérobies psychrophiles (25[degrés celsius]), acclimatées à du lisier bovin ou porcin. Une première expérience vise à évaluer le potentiel de biotransformation des boues non alimentées en lisier et soumises à une charge connue en H[indice inférieur 2]S (entre 0,68 et 2,19 mg H[indice inférieur 2]S L[indice supérieur -1] boues h[indice supérieur -1]) injectée dans la phase liquide à la base du bioréacteur. Un taux maximal de biotransformation de 1,27 mg H[indice inférieur 2]S L[indice supérieur -1] boues h[indice supérieur -1] a été obtenu pour un taux de réduction du H[indice inférieur 2]S de 96,9%, une capacité 6,7 fois supérieure au taux maximal obtenu pour un bioréacteur alimenté avec du lisier bovin (0,19 mg H[indice inférieur 2]S L[indice supérieur -1] boues h[indice supérieur -1]). Une deuxième expérience consiste à évaluer l'impact d'un tel procédé sur le rendement en méthane et la stabilité d'un bioréacteur en opération. Deux bioréacteurs psychrophiles sont opérés en mode semi-batch et alimentés de manière identique avec du lisier bovin. Un seul des deux bioréacteurs est opéré en micro-aérobie. Ce bioréacteur a présenté des concentrations en H[indice inférieur 2]S indétectables (<50 ppm), sauf les journées où le ratio volumique air/biogaz était entre 0 et 0,056. Des concentrations variant entre 0 et 3500 ppm étaient mesurées dans l'effluent gazeux du bioréacteur sans injection d'air. Le bioréacteur en micro-aérobie a présenté un rendement spécifique en méthane 6,5% plus faible que le bioréacteur témoin, mais cet écart a diminué jusqu'à 0,87% pour les 4 derniers cycles de l'expérience durant lesquels le débit d'air a été réduit et maintenu à 4 ml/min.

La digestion anaérobie implique un écosystème complexe qui dégrade progressivement la matière organique est la transforme en dioxyde de carbone et en (bio)méthane. Ce biogaz est une source d'énergie renouvelable dont l'utilisation s'inscrit dans une optique de développement durable. Le potentiel biogaz reste néanmoins sous-exploité à cause d'un manque d'outils adaptés pour garantir la pérennité des installations et mieux maîtriser la qualité du biogaz. Nous proposons des stratégies pour mieux valoriser les résidus organiques liquides, à travers deux approches. L'une propose des méthodes pour identifier un risque de déstabilisation et prévenir un mauvais fonctionnement du procédé, l'autre repose sur la régulation de la qualité du biogaz. Ces méthodes nécessitent des modèles dynamiques pour décrire avec précision l'évolution des variables du système. Nous proposons une modélisation fine des transferts liquide-gaz, qui conduit à un modèle où le coefficient de transfert (kLa) dépend du débit total de biogaz.<br />Ce lien implique une relation linéaire entre la qualité du biogaz et la concentration en CO2 dissous, qui sert à améliorer les modèles existants. Un indice de risque de déstabilisation du procédé est construit à partir d'une analyse de stabilité d'un modèle simplifié. Cette procédure, appliquée à un procédé pilote, peut détecter une éventuelle déstabilisation du fermenteur, plus tôt que les indicateurs usuels (pH, acides gras volatils). Enfin, nous introduisons une nouvelle stratégie de contrôle de la qualité du biogaz basée sur la régulation de l'alcalinité dans le digesteur. Différentes lois de commande sont proposées et validées expérimentalement sur un réacteur pilote.

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.

Ce mémoire porte sur la gestion des effluents organiques à l'aide d'un procédé intégré de valorisation énergétique dans le contexte d'une municipalité de 150 000 habitants en considérant la génération d'énergie et la réduction des gaz à effet de serre. Dans cette optique, la digestion anaérobie devient intéressante. Un premier scénario étudie la cogénération de chaleur et d'électricité à partir du biogaz issu de la digestion anaérobie des effluents organiques gérés par la municipalité : les résidus domestiques putrescibles et les boues d'usine municipale de traitement des eaux (scénario 1). Un second scénario propose d'ajouter le lisier issu des fermes régionales pour faire de la codigestion avec les matières gérées par la municipalité et faire de la cogénération de chaleur et d'électricité (scénario 2). Le troisième scénario propose de générer du gaz naturel renouvelable (GNR) en purifiant le biogaz pour accroître son pouvoir calorifique (scénario 3). Ces scénarios sont comparés d'un point de vue économique, énergétique et environnemental à l'aide du chiffrier MATTEUS version 5.11 développé par Hydro-Québec afin de proposer le meilleur procédé intégré de gestion à la municipalité en tenant compte des trois aspects. Le scénario 1 (cogénération) mène à une période de retour sur l'investissement (PRI) de 3,7 ans avec un prix d'achat de l'électricité de 0,10$/kWh. Le scénario 2 (codigestion) accroît la production de biogaz de 37%, mais augmente la PRI à 6,8 ans à moins que le digestat produit puisse être utilisé pour faire de la valorisation agronomique; cela devient économiquement avantageux. Le scénario 3 (GNR) n'obtient pas de PRI, car le coût d'achat du gaz naturel est trop faible. Par contre, ce scénario mène à la plus faible période de retour en énergie (3,3 ans) et réduit le plus les émissions de gaz à effet de serre (4261 tCO[indice inférieur 2] eq/an). Parmi les scénarios proposés, le scénario 1, cogénération des matières organiques gérées par la municipalité, représente l'alternative la plus intéressante économiquement et devrait être favorisé à l'heure actuelle. Toutefois, le scénario 3, GNR, se démarque dans les deux autres aspects.

Les activités anthropiques génèrent une contamination à de faibles doses des boues de station d'épuration par des micropolluants organiques persistants tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les polychlorobiphényles et le nonylphénol. Cette étude porte sur la détermination de l'influence des microorganismes au cours de la méthanisation sur le devenir de ces trois familles de micropolluants. Un protocole spécifique a été mis au point pour extraire des microorganismes de leur écosystème d'origine tout en conservant la singularité structurelle et fonctionnelle des communautés. Trois communautés, au passif de pollution différent, ont ainsi été soumises à la même pression de sélection (substrat et disponibilité en micropolluant) dans des bioréacteurs continus de méthanisation. Ces trois écosystèmes se sont alors distingués parfaitement via les caractéristiques de leurs communautés et la réalisation de fonctions diverses de digestion. Or, la dégradation des micropolluants a convergé dans ces 3 systèmes, démontrant l'absence de lien direct entre méthanogenèse et dégradation de ces molécules et une absence de spécialisation des communautés pour cette dégradation. En outre, il a été observé que la répartition des micropolluants au sein de la boue est influencée par les voies métaboliques des communautés. Plus le degré de digestion est avancé, plus les micropolluants sont abondants dans le compartiment aqueux et sorbés à la matière dissoute et colloïdale. Des fonctions, spécifiques de la dégradation des micropolluants, ont été étudiées (i) en suivant l'assimilation de phénanthrène marqué au 13C en culture batch, source principale de carbone, ce qui n'a pas permis d'observer sa minéralisation et (ii) en recherchant la présence de gènes fonctionnels ce qui n'a pas permis la détection des fonctions ciblée. Des activités œstrogéniques, androgéniques, dioxin-like et HAP-like, l'activité HAP-like est la plus exprimée dans les réacteurs à l'équilibre. Le degré de digestion, via une modification de la répartition des HAP, explique l'augmentation de l'activité HAP-like dans le compartiment aqueux des boues les plus digérées (et sa diminution dans le compartiment particulaire). L'activité HAP-like n'est pas entièrement expliquée par le dosage des HAP, ce qui suggère la présence d'intermédiaires métaboliques ayant une activité biologique et dont la nature différerait suivant le métabolisme exprimé par les communautés microbiennes. / Due to anthropogenic activity the sludge of wastewater treatment plants are contaminated by organic micropollutants like polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), polychlorinated biphenyls and nonylphenol. This study focuses on the influence of microbial communities on the fate of these three micropollutant families during the anaerobic digestion process. A specific protocol was developed to extract microorganisms from their native ecosystem while maintaining their structural and functional singularity. Three communities, with different pollution history, were thus extracted and subjected to the same selection pressure (availability of substrate and micropollutant) in continuous anaerobic digesters. These three ecosystems can be perfectly identified through the characteristics of their microbial communities and their global metabolism. However, our results show also that the degradation of micropollutant converged in these 3 systems, demonstrating no direct link between methanogenesis and micropollutant degradation and no specialization of the microbial communities toward this degradation. In addition, the distribution of micropollutants in sludge is influenced by the metabolic pathways of those communities. The more the digestion is advanced, the greater the micropollutants are abundant in the aqueous compartment and adsorbed to the dissolved and colloidal matter. Specific functions for micropollutant degradation were studied (i) by following the 13C-labeled phenanthrene assimilation as main carbon source, which did not allow observing its mineralization and (ii) by exploring the presence of functional genes, which did not allow the detection of the targeted functions. Among the estrogenic, androgenic, dioxin-like and PAH-like activities, PAH-like activity is more expressed in all reactors at the steady state. The different degrees of digestion, through a change in PAH distribution, explain the increase in PAH-like activity in the aqueous compartment of the most digested sludge (and its decrease in the particulate compartment). PAH-like activity is not fully explained by PAH quantification, suggesting the presence of by-products with biological activity and which could be different depending on the metabolic pathway of the microbial communities.

Les représentants de l'ordre des Thermotogales se trouvent généralement dans les puits pétroliers et les sources hydrothermales aquatiques et terrestres. Récemment, des études moléculaires basées sur l'analyse des gènes codant l'ARNr 16S ont prouvé l'existence de représentants thermophiles, mais également mésophiles de cet ordre dans les boues de bioréacteurs et dans les sédiments contaminés par des composés toxiques. Les expériences que nous avons conduites pour traiter notamment le lactosérum en présence de phosphogypse ou de sulfate dans des bioréacteurs anaérobies mésothermiques nous ont permis de mettre en évidence de nouvelles populations de bactéries et plus précisément de Thermotogales par des approches moléculaires et culturales, avec la description de deux nouveaux genres, « Mesotoga sulfurireducens » et Defluviitoga tunisiensis. En ce qui concerne « M. sulfurireducens», il correspond à la première bactérie mésophile isolée chez les Thermotogales avec un métabolisme original centré sur la sulfo-réduction. Toujours dans le but de traiter le phosphogypse, mais cette fois-ci en utilisant les margines comme composantes organiques dans le procédé anaérobie, une nouvelle espèce du genre Fusibacter a pu être isolée, F. tunisiensis. Globalement, nos résultats démontrent le rôle important joué par les Firmicutes fermentaires et sulfato-réductrices (ordre des Clostridiales) et celui des Proteobacteria sulfato-réductrices (deltaproteobacteria) chez les Bacteria, mais également par les Methanoarchaea acétoclastes aux côtés des Thermotogales dans la digestion anaérobie de la matière organique lorsque les effluents sont riches en sulfate. / The representatives of the order Thermotogales are usually found in oil reservoirs and hot aquatic and terrestrial springs. Recently, the existence of thermophilic and mesophilic representatives of the Thermotogales was proved by analysis of SSU rRNA genes of clones from bioreactors sludges and sediments contaminated by toxic compounds.Experiments which were led to treat lactoserum in the presence of phosphogypsum or sulphate in the mesothermic anaerobic digesters permitted to detect new populations of bacteria, in particular, Thermotogales by molecular and cultural approaches, with the description of two new genera, “Mesotoga sulfurireducens” and “Defluviitoga tunisiensis”. “Mesotoga sulfurireducens” is the first mesophilic bacterium isolated in the order of Thermotogales with an original metabolism axed on sulfo-reduction. During the treatment of phosphogypsum in the presence of margines as organic compounds in the anaerobic processus, a new species of Fusibacter was isolated: F.tunisiensis, sp. nov.Our results show the important role played by fermentative and sulphate-reducing Firmicutes (order Clostridiales) and sulphate-reducing Proteobacteria (deltaproteobacteria) within the Bacteria, but also by the acetoclastic Methanoarchaea beside Thermotogales in the anaerobic digestion of organic matter when the effluents are rich in sulphate.

La digestion anaérobie est un procédé biologique effectué par un réseau complexe et synergique de communautés microbiennes permettant la dégradation de matière organiques comme les déchets agricoles ou les effluents de station d’épuration en biogaz, un gaz valorisable en énergie. Les mécanismes influençant les communautés microbiennes au cœur de ce procédé mais aussi dans la nature restent incompris du fait de la faible compréhension de leur dynamique. Les objectifs de ce projet visent à donc développer un système de digestion anaérobie permettant de mieux comprendre la dynamique de l’assemblage des communautés microbiennes. Ainsi un nouveau procédé de réacteurs en continu dont les fonctions d’alimentation de soutirage et de dégazage sont automatisées a été développé. L’automatisation et le multiplexage des réacteurs permettent la manipulation de 30 réacteurs en continu en parallèle. Outre l’automatisation ce système, de nombreux paramètres sont flexibles comme le taux de charge (une fois par minute jusqu’à une condition batch), le volume de réacteur (50 à 200mL), la température (pièce – 55°C), mais aussi l’utilisation du système en aérobie ou l’implémentation d’autres outils comme des LEDs pour les cultures phototrophes. Capable de quantifier précisément la performance d’un écosystème méthanogène, ce système nous a permis de tester la structure et la performance d’écosystèmes méthanogènes mis en mélanges et testés de façon individuelle. En mélangeant des écosystèmes méthanogènes différents, la diversité des Archées a augmenté transitoirement. Une corrélation est d’ailleurs observée entre la diversité de ces communautés mélangées et leur performance méthanogène, seulement à même diversité les communautés individuelles ont un meilleur fonctionnement. L’assemblage de certaines communautés mélangées a pourtant permis une meilleure production de méthane que les communautés individuelles, ce qui suggère le développement d’interactions spécifiques de ces communautés. De façon nouvelle par rapport à la littérature, la majorité des communautés bactériennes individuelles sont retrouvées dans les communautés mélangées. Soit contrairement à l’idée d’une sélection d’une communauté plus adaptée ou plus fonctionnelle, ici la majorité des communautés se sont implantées. Ces expériences suggèrent qu’un paramètre tel que la fonctionnalité d’un bioprocédé peut-être amélioré par bioaugmentation. / Anaerobic digestion is a biological process carried out by a complex and synergistic network of microbial communities allowing the degradation of organic matter such as agricultural waste or effluents from wastewater treatment plants, into biogas, a gas recoverable into energy. The mechanisms influencing microbial communities at the heart of this process but also in nature remain misunderstood because of a low understanding of their dynamics. The objectives of this project are therefore to develop an anaerobic digestion system to better understand the dynamics of microbial community assembly. Thus, a new continuous reactor process has been developed with automated feeding, biomass wasting and degassing functions. Automation and multiplexing of reactors allows for the continuous parallel manipulation of 30 reactors in parallel. In addition to the automation, many parameters are versatile, such as the substrate loading (once a minute up to batch conditions), the reactor volume (50 to 200 mL), the temperature (room to 55°C), but also the use of the aerobic system or the implementation of other tools such as LEDs for phototrophic cultures. Capable of accurately quantifying the performance of a methanogenic ecosystem, this system has enabled us to test the structure and the performance of five different methanogenic ecosystems that have been mixed and tested individually. By mixing different methanogenic ecosystems the Archaea diversity has increased transiently. Besides, a correlation is observed between the diversity of mixed communities and their methanogenic performance; yet the individual communities have a better functioning at the same level of diversity. Interestingly, the mixture of some communities has allowed for better methane production than individual communities, suggesting the development of specific interactions in these communities. In a novel way compared to the literature and that the majority of individual bacterial communities are found in mixed communities. Contrary to the idea of selecting a more adapted or functional community, here the majority of communities have settled. These experiments suggest that a parameter such as the functionality of a bioprocess can be improved by bioaugmentation.

La valorisation des déchets par digestion anaérobie conduit à la production d’un résidu, appelé digestat, qui est composé de la matière organique non biodégradée et présente une forte teneur en azote ammoniacal et organique. De par cette richesse en azote, les digestats présentent un intérêt grandissant pour la substitution aux engrais minéraux. L’objectif de cette thèse est de comprendre les transformations de l’azote en digestion anaérobie afin de prédire la qualité azotée des digestats. Cette compréhension des processus de transformation de l’azote ouvrira la possibilité de dimensionner et piloter le procédé de digestion anaérobie pour une substitution optimisée des engrais minéraux par les digestats. Pour cela, deux approches ont été développées: (i) une approche compréhensive centrée sur la compréhension de la bioaccessibilité de l’azote organique en lien avec sa biodégradabilité, et la compréhension des transformations de l’azote en digestion anaérobie en conditions de laboratoire et pilote; et ; (ii) une approche numérique où les processus identifiés ont été intégrés à des outils de modélisation à bases statistiques et biocinétiques permettant de prédire les propriétés azotées des digestats en fonction des cocktails de substrats et du temps de séjour dans le digesteur. / Energetic recovery of waste by anaerobic digestion leads to the production of a residue called digestate, which is composed of non-biodegraded organic matter and has a high content of ammoniacal and organic nitrogen. Due to this high nitrogen content, digestates are growing interest for the substitution of mineral fertilizers. The objective of this thesis is to understand the transformations of nitrogen that occur during anaerobic digestion in order to predict the nitrogen quality of digestates. This understanding of nitrogen transformation processes will allows the design and management of anaerobic digestion plants aiming at the optimization of the substitution of mineral fertilizers by digestates. To this end, two approaches were used in this work: (i) an experiment approach focused on the understanding of the bioaccessibility of organic nitrogen in relation to its biodegradability, and the understanding of the transformations of nitrogen in anaerobic digestion under laboratory and pilot conditions; and; (ii) a numerical approach where previously developed knowledge has been integrated in statistical and biokinetic modeling tools to predict the nitrogen properties of digestates according to substrate cocktails and residence time in the digester.