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.

Le processus de digestion anaérobie conduit à la production de biométhane, un vecteur flexible d’énergie renouvelable. L’amélioration du rendement de ce processus est souvent évoquée comme dépendante de la compréhension approfondie de la structure et de la dynamique des communautés microbiennes qui y sont impliquées. L’objectif de la thèse a été de caractériser les communautés microbiennes impliquées dans le processus de digestion anaérobie et de déterminer l’influence de facteurs opérationnels sur leurs dynamiques. Nous nous sommes en particulier intéressés à l’augmentation du taux de charge organique, le type de digesteurs anaérobies (réacteur continu perpétuellement mélangé vs réacteur anaérobie à chicane), mais aussi à la phase de démarrage d’un digesteur de ferme avec une montée en température. En absence de conditions contraignantes, nous avons observé l’installation de populations méthanogènes les mieux adaptées à la production de biogaz dans les réacteurs étudiés et la mise en place de communautés microbiennes similaires entre réacteurs réplicats. Cependant, des changements au niveau opérationnel ont conduit au développement de communautés divergentes en termes de structure. En effet, en présence d’un environnement déterministe, la plupart des bactéries et archées impliquées en digestion anaérobie ont montré une redondance fonctionnelle à la perturbation. Toutefois, certaines populations bactériennes dominantes ont également pu montrer des phénomènes de résistance, en termes de présence et d’abondance, à l’évolution des conditions environnementales. Au cours de nos études, les différentes communautés s’installant dans les digesteurs étudiés ont également montré des aptitudes variables pour la production de biogaz. De plus, des corrélations entre les communautés bactériennes, archées et eucaryotes ont aussi été démontrées, soulignant le rôle non négligeable des eucaryotes dans le processus de digestion anaérobie et l’installation de communautés microbiennes dominantes et spécifiques à la production de biogaz. Ainsi, les changements au sein de la communauté microbienne résultant de la modification progressive de facteurs opérationnels, et ce bien avant l’apparition des premiers symptômes d’inhibition de la production de biogaz, pourraient permettre le développement d’indicateurs microbiens de l’état du processus de digestion anaérobie et donc la mise en place d’une gestion microbiologique raisonnée des digesteurs anaérobies / The anaerobic digestion process leads to the production of biomethane, a versatile renewable energy vector. The dynamics and interactions between specific microbial groups are currently considered as key research subjects towards the improvement of the anaerobic digestion (AD) process. Indeed, deeper knowledge of the ecology of AD, the dynamics of the microbial populations and their structure could provide valuable information regarding unexplained and unpredictable failures or malfunctioning of the anaerobic digestion process. The aim of this work was to characterize the microbial communities involved in the AD process, and to study their responses due to the change of operational parameters such as an increase of the organic loading rate, the reactor type (completely stirred tank reactor vs anaerobic baffled reactor), or the start-up phase of a farm reactor with a shift from psychrophilic to mesophilic temperature range. While we observed the installation of similar microbial populations between replicated reactors under stable conditions, best adapted to biogas production, the microbial communities started to diverge once the operational parameters changed. Indeed, due to deterministic environment, most of bacteria and archaea showed redundant functional adaptation to the changing environmental conditions. However, some dominant bacterial populations were also resistant in terms of presence and abundance to the environmental change. The specific microbial communities established in our studied reactors showed also discrepancies in terms of biogas yields. Furthermore, correlations between the bacterial, archaeal and eukaryotic communities were pointed out, indicating the putative influence of eukaryotes on the anaerobic digestion process and the establishment of the other microbes having crucial functions during the anaerobic biomass digestion. Interestingly, shifts inside the anaerobic microbial community due to the gradual change of operational parameters, were detected prior to any biogas production inhibition, giving the opportunity for the development of potential early microbial indicators for assessing the AD process status and improving the microbial management of anaerobic reactors

Les stations d’épuration constituent une voie majeure de dissémination des micropolluants minéraux et organiques dans l’environnement. De nombreux composés émergents ne sont pas totalement éliminés des eaux usées et sont transférés aux boues par sorption du fait de leurs propriétés physico-chimiques. Parmi ces composés, les résidus de médicaments doivent être suivis car ils peuvent avoir des effets indésirables sur les organismes une fois rejetés dans l’environnement. L’épandage des boues stabilisées sur les sols étant le procédé de valorisation le plus employé en France, le choix du traitement des boues en amont, permettant de réduire au maximum la dissémination des micropolluants constitue une question scientifique et technique fondamentale. Dans ce travail, le devenir de micropolluants métalliques (cadmium et cuivre) et de plusieurs médicaments (carbamazépine, ciprofloxacine, sulfaméthoxazole, acide salicylique, ibuprofène, paracétamol, diclofénac, kétoprofène, éconazole, aténolol et propranolol) a été étudié pour différents lots de boues urbaines (avec ou sans traitement par ozonation) et aussi de manière originale sur des boues provenant exclusivement du traitement d’effluents hospitaliers (station de SIPIBEL), au cours de leur traitement (épaississement puis stabilisation par compostage, chaulage ou digestion anaérobie). La méthodologie proposée a reposé sur la mise en relation : d’une part des coefficients de répartition de ces micropolluants entre les fractions soluble et particulaire (Kdsorption) dans la boue après chaque traitement de stabilisation ainsi que de leur potentiel de désorption (Kdésorption) avec d’autre part les propriétés des micropolluants et les caractéristiques des boues (composition biochimique et groupements fonctionnels). Cette mise en relation a abouti, grâce à une analyse statistique de type PLS à la proposition de modèles permettant de prédire les valeurs de Kdsorption et Kdésorption. Il a ainsi pu être démontré que le pH des boues ainsi que les groupements fonctionnels de type phosphorique dans la phase soluble et de type amine/hydroxyle dans la fraction particulaire des boues avaient une influence majeure sur le comportement de sorption des micropolluants organiques, de même que la masse molaire et la solubilité de ces derniers. D’autre part, ce travail a permis de montrer que l’ozonation des boues en amont des traitements de stabilisation s’est avérée efficace car elle a permis d’éliminer huit composés pharmaceutiques sur les onze étudiés. Pour tous les lots de boues, le sulfaméthoxazole a été biodégradé au cours de la digestion anaérobie. Les tests de désorption en batch effectués sur les boues après chaulage et digestion ont montré que les micropolluants dans les boues chaulées ont tendance à être plus facilement relargués qu’après digestion anaérobie. Enfin, l’étude de la disponibilité des micropolluants lors de l’épandage des différents lots de boues urbaines et hospitalières stabilisées sur des colonnes de sol à l’échelle du laboratoire a montré que l’ibuprofène, l’acide salicylique, le diclofénac et le paracétamol étaient les seuls composés détectés dans les phases lixiviées des sols amendés, ce qui traduit une faible mobilité des autres composés dans le sol. / Wastewater treatment plants represent the main transfer pathways for micropollutants to enter the environment. Emerging contaminants are not totally eliminated and are transferred to the sludge by sorption process due to their physico-chemical properties. Among them, pharmaceutical compounds are of a great concern because of their potential adverse effects to ecosystems. As sludge landspreading is the main process of valorization employed in France, the choice of the kind of sludge stabilization treatment able to reduce the amount of micropollutants is crucial. In this work, the fate of trace metallic elements (cadmium and copper) and pharmaceutical compounds (carbamazepine, ciprofloxacin, sulfamethoxazole, salicylic acid, ibuprofen, paracetamol, diclofenac, ketoprofen, econazole, atenolol and propranolol) has been investigated in sludge from different origins: urban (with and without ozone oxidation treatment) and hospital, during their treatment (thickening and stabilization by composting, liming or anaerobic digestion). The methodology developed in this work consisted in connecting the partition coefficients of micropollutants (between the soluble and particulate fractions of sludge, Kdsorption) and their desorption potential (Kdesorption) with micropollutants physico-chemical properties and sludge characteristics (biochemical composition and functional groups). Statistical analysis leads to the determination of models able to predict Kdsorption and Kdesorption. Molecular weight and solubility of pharmaceutical compounds, sludge’s pH, phosphoric functional groups in the soluble phase and amine/hydroxyl groups in the particulate fraction of sludge had the main impact on the sorption behavior. Moreover the oxidation of sludge with ozone before stabilization was efficient to eliminate eight from eleven organic compounds. For all sludge samples, sulfamethoxazole was biodegraded during anaerobic digestion. Batch desorption tests showed that micropollutants were more easily desorbed in limed sludge compared to digested sludge. Finally, the study of micropollutants availability during stabilized urban and hospital sludge landspreading on laboratory soil columns revealed that ibuprofen, salicylic acid, diclofenac and paracetamol were the only compounds present in leachates. This means that the other pharmaceutical compounds exhibited a lower mobility in soil.

La co-digestion anaérobie (CoDA) des substrats agro-industriels s’inscrit pleinement dans les objectifs sociétaux d’une gestion optimisée des agroressources, d’une réduction des impacts anthropogéniques, ainsi que d’un développement des énergies renouvelables. Toutefois, en considérant les verrous industriels et scientifiques, il est apparu que la problématique méthodologique, relative à l’étude et à l’optimisation, était primordiale dans l’amélioration des performances méthanogènes en CoDA. En cela, il s’est avéré que le principal actionneur pour l’optimisation de la CoDA soit la formulation du mélange en substrats et co-substrats constituant l’intrant du digesteur. Ainsi, les travaux de thèse étaient inscrits dans un double objectif, industriel et scientifique, dont les résultats ont permis de (i) mettre en œuvre des méthodes simples, peu chronophages et surtout peu coûteuses, pour la caractérisation des intrants et le suivi de la CoDA, (ii) déterminer la relation fondamentale entre la formulation du mélange de substrats et son potentiel biométhanogène, (iii) développer des outils de prédiction du potentiel biométhanogène des mélanges de substrats, ainsi que des biodégradabilités globales et spécifiques de ces derniers, (iv) améliorer la compréhension des interactions entre les substrats codigérés et le consortium microbien de digestion, ainsi que la capacité de ce dernier à s’adapter aux diverses charges organiques qui lui sont appliquées (capacité homéostasique). / The co-digestion of agro-industrial substrates in anaerobic conditions falls within the objectives of an optimized management of agricultural resources along with reduction of anthropogenic impacts and development of renewable energies. Considering scientific and industrial bottlenecks from literature review, it could be identified that a methodological approach was the key to an enhanced understanding of anaerobic co-digestion. Ultimately, formulation of the substrate and co-substrates (digestor’s inputs) appeared to be the main actuator to optimize anaerobic co-digestion. Conciliating both scientific and industrial issues, this thesis led to the following findings : (i) an implementation of simple and cost-saving methods to characterize the inputs of digestor and biogas production, (ii) a determination of fundamental relationship between substrate blend and his biomethane potential, (iii) a development of predictive tools for biomethane potential of substrate blends as well as global and specific biodegradability of substrates, (iv) an enhanced comprehension of first, interactions between codigested substrates and the microbial consortium and second, the adaptation capacity of the microbial consortium to various organic loading (homeostatic capacity).

Compte tenu de la forte incitation réglementaire à la valorisation de déchets de cuisine, le développement de procédés de méthanisation à petite échelle (10 à 100 T de déchets par an) pourrait voir un essor potentiellement important. Cependant, la simplicité (préparation limitée des substrats, peu d'apport d'eau) et la robustesse (stabilité) du procédé représente des enjeux cruciaux pour valider cette échelle de fonctionnement. Dans le procédé de méthanisation, l'étape de l'hydrolyse reste la plus limitante due, d'une part, à une lente cinétique, qui provoque une dégradation non uniforme des carbohydrates structuraux (p.ex. la cellulose), et d'autre part, d'une transformation rapide des composants facilement biodégradables, ce qui peut générer une accumulation des acides gras volatiles, conduisant à une inhibition de l'activité méthanogène. Dans l'objectif de surmonter les problèmes liés à l'étape de l'hydrolyse, de nombreux travaux ont été menés sur les prétraitements mécaniques, thermiques, ou chimiques de la matière organique. En comparaison, l'utilisation d'une pré-étape aérobie a été relativement peu étudiée. Un prétraitement aérobie pourrait aider à éliminer les fractions les plus biodégradables pour limiter les risques d'acidose du milieu et à mieux dégrader certaines fractions de la matière organique plus résistante. Toutefois l'utilisation d'un prétraitement aérobie peut provoquer une oxydation excessive des déchets, limitant leur potentiel méthanogène. Par conséquent, il est indispensable de bien maîtriser les conditions d'aération. Ce travail de thèse avait donc l'objectif de valider l'impact du prétraitement aérobie dans la digestion anaérobie de déchets de cuisine et de suggérer quel mode de mise en œuvre du prétraitement aérobie faudrait préconiser. / Given the strong incentive to source separation of organic fractions of household waste, the development of anaerobic processes on a small scale (10 to 100 t of waste per year) could see significant growth. However, to validate this scale of operation, stability and efficiency of the treatment process will represent crucial issues. Concerning anaerobic processes, the hydrolysis step is the limiting step for two reasons. First, due to relatively slow kinetics, non-uniform degradation of structural carbohydrates (e.g. cellulose) may be produced. On the other hand, the rapid transformation of easy biodegradable compounds produces a rapid production of volatile fatty acids, which may lead to their accumulation, inhibiting the methanogenic activity. To overcome the problems associated with the hydrolysis step, many studies have been conducted on the mechanical, thermal or chemical pre-treatment of the organic matter introduced into the digesters. In comparison, the use of an aerobic biological pre-stage has been relatively less studied. Aerobic degradation can indeed eliminate more biodegradable fractions to reduce the risk of acidosis in the digester and enhance the degradation of some recalcitrant organic fraction. However the duration of the aerobic treatment should be well managed not to oxidize excessively the methanogenic potential of the pre-treated organic waste. The aim of the thesis was be to validate the effectiveness of a pre-treatment to improve the anaerobic digestion of food waste and to suggest the best ways to implement this pre-treatment.

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

Ce travail de thèse a eu pour objectif principal l'étude thermodynamique des changements métaboliques dans l'acidogénèse. L'acidogénèse est un procédé anaérobie à double intérêt qui en traitant des résidus organiques, permet de produire des composés chimiques comme l'hydrogène, l'éthanol et les acides organiques. Par conséquent, l'acidogénèse se place comme un procédé biotechnologique dans le concept de bioraffinerie. En outre, ce processus n'a pas besoin de conditions stériles d'opération et fonctionne sur une large gamme de pH. Ces changements métaboliques sont dépendants des modifications dans les conditions opératoires. Afin d'étudier ces changements métaboliques, des expériences basées sur des modifications du ciel gazeux du réacteur par introduction d'azote et sur des changements du pH, ont été menées. Un des résultats les plus intéressants a été l'augmentation du rendement de production d'hydrogène de 1 à 3,2 molH2/molglucose à pH 4,5 et débit de N2 de 58,4 L/d. Ce rendement est proche de la valeur théorique (4 molH2/molglucose). L'étude thermodynamique a permis d'expliquer les mécanismes métaboliques concernant l'hydrogène, dont la production importante, représentée par le rendement de 3,2 molH2/molglucose, est due à la réaction inverse H2/NAD+, qui est thermodynamiquement faisable à faibles pressions partielles d'hydrogène (par exemple 0,02 bar). En outre, les bas rendements en hydrogène ont été expliqués par l'action consommatrice d'hydrogène par la réaction d'homoacetogénèse. Cependant, le modèle n'a pas été capable d'expliquer les changements métaboliques de l'acétate, du butyrate et de l'éthanol lors de la fermentation acidogénique du glucose. / This thesis deals with thermodynamic based modelling of metabolic shifts during acidogenic fermentation. Acidogenic fermentation is an anaerobic process of double purpose: while treating organic residues, it produces chemical compounds, such as hydrogen, ethanol and organic acids. Therefore, acidogenic fermentation arises as an attractive biotechnology process towards the biorefinery concept. Moreover, this process does not need sterile operating conditions and works under a wide range of pH.Changes of operating conditions produce metabolic shifts, inducing variability on acidogenic product yields. In order to study these metabolic shifts, an experiment design was based on reactor headspace N2-flushing (gas phase) and pH step changes (liquid phase). A major result was the hydrogen yield increase from 1 to 3.2 (molH2/molglucose) at pH 4.5 and N2-flushing of 58.4 L/d. This yield is close to the theoretical acidogenic value (4 molH2/molglucose).The thermodynamic model, based on the assumption that acidogenic fermentation is characterised by limited energy available for biological process, allowed to explain the mechanisms that govern hydrogen metabolic shifts, showing that the synthesis of extra hydrogen, i.e. yield of 3.2 (molH2/molglucose), was due to reverse H2/NAD+ redox reaction, which is thermodynamically feasible at low hydrogen partial pressures (e.g. 0.02 bar). Moreover, low hydrogen yields were explained by the action of homoacetogenesis hydrogen consuming reaction. However, the model was not capable to explain the metabolic shifts of acetate, butyrate and ethanol on acidogenic glucose fermentation.

Au cours de cette thèse, les prévisions de la méthodologie d’Analyse de Cycle de Vie (ACV) sont améliorées, via l’exergie, pour l’analyse et l’éco-conception des procédés. Nous mettons l’accent sur le potentiel de l’analyse exergétique et de la Consommation d’Exergie Cumulée (CExC) dans l’évaluation du critère d’épuisement, de productivité et de recyclabilité des ressources naturelles. Dans ce cadre, les transferts de pollutions et les impacts environnementaux d’un système de traitement des eaux résiduaires (STEP) ont été analysés en relation avec l’exergie consommée (CExC) et de l’exergie détruite (étude a priori). L’étude montre que la décision est différente lorsque l’indicateur d’épuisement des ressources naturelles est basé sur la méthode CExC de celle basée sur la méthode CML. L’amélioration de l’éco-efficacité d’une STEP implique un recyclage des boues en agriculture. La stabilisation des boues par digestion anaérobie réduit le volume des boues et ainsi l’impact du transport en comparaison avec la stabilisation à la chaux. Toutefois, elle réduit le potentiel fertilisant des boues, d’une part, et augmente la consommation d’énergie et l’impact du réchauffement climatique à cause du traitement des retours en tête d’autre part. Bien que la valorisation du biogaz en cogénération réduise la dépendance énergétique de la STEP et améliore son éco-efficacité globale en comparaison avec le chaulage, elle n’offre pas la possibilité à un séchage des boues. Le séchage des boues constitue l’une des recommandations des agriculteurs, bien qu’il n’améliore pas le l’éco-efficacité globale de la STEP, en augmentant l’épuisement et l’exergie détruite des ressources brutes et du biogaz / The focus of the work has been to improve the predictions of Life Cycle Assessment (LCA) via exergy for processes analysis and eco-design. The potential of the exergetic analysis and Cumulative Exergy Consumption (CExC) in estimating the criterion of depletion, productivity and recyclability of natural resources has been investigated. In this context, the transfer of pollutants and the environmental impacts of a wastewater treatment system (WWTP) have been analyzed in relation with the consumed exergy (CExC) and the destroyed exergy. The study shows that decision is different if the indicator of depletion of natural resources is based on the method of CExC or on the CML method. The improvement of the overall eco-efficiency of a WWTP involves a recycling of sludge in agriculture. Stabilization of sludge by anaerobic digestion reduces the volume of sludge and consequently the impact of transport in comparison with the stabilization with lime. However, on one hand, it reduces the fertilizer potential of sludge. On the other hand it increases energy consumption and the impact of the global warming because of the treatment of digested sludge supernatant recycled to the WWTP. Although the recovery of biogas by cogeneration reduces the energy dependency of the WWTP and improves its overall eco-efficiency in comparison with the liming scenario, it does not provide the possibility for sludge drying. Drying the sludge is one of the recommendations of farmers, although it does not improve the overall eco-effectiveness of the WWTP, and increases the depletion and the destroyed exergy of raw resources and biogas

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