La digestion anaérobie est un procédé permettant de transformer les déchets organiques en énergie utile, telle que le biogaz. Ce procédé fait intervenir des organismes vivants dont le comportement spécifique est fortement non linéaire. Par ailleurs, il est connu pour être sensible aux perturbations et naturellement instable. Ainsi, le développement de méthodologies efficaces pour sa commande et sa supervision est essentiel afin d’obtenir des résultats satisfaisants. Par conséquent, l’objet de cette thèse porte sur la modélisation de ce système complexe, la synthèse d’observateurs et de lois de commande afin d’améliorer le fonctionnement du procédé dans les stations de biogaz. Une modélisation formelle du procédé est alors proposée où des degrés de liberté additionnels ont été introduits dans la commande de production de biogaz. En effet, deux entrées de commande supplémentaires viennent compléter le modèle standard AM2 (Acidogenèse Methanogenesis, 2 étapes), reflétant l’ajout de substrats stimulants (acides et alcalinité) qui améliorent la qualité et la quantité du biogaz. Par la suite, l’identification des paramètres du modèle non linéaire résultant est traitée, ainsi que l’analyse de la positivité et la bornitude des variables d’état. Sur la base du modèle mathématique dérivé et des résultats de l’analyse, différents observateurs sont alors étudiés afin de surmonter le manque de capteurs fiables, autonomes et bons marché. En effet, deux observateurs sont alors développés, le premier dit invariant et le second non linéaire de la même forme que l’observateur généralisé d’Arcak. En outre, dans le but de rendre la conception d’observateurs plus robuste aux perturbations, le critère H∞ est introduit dans la synthèse. Une extension de la méthodologie est proposée pour les systèmes discrets ainsi qu’aux systèmes non linéaires avec sorties non linéaires. Pour la synthèse des différents observateurs, le théorème des accroissements finis est appliqué, ce qui permet de transformer la dynamique non linéaire de l’erreur d’estimation en un système linéaire à paramètres variants. La condition de Lipschitz est alors conjointement utilisée avec la fonction classique de Lyapunov pour la synthèse des conditions de stabilité sous forme d’Inégalités Matricielles Linéaires (LMIs). Enfin, afin d’améliorer la faisabilité de ces dernières conditions, une reformulation judicieuse de l’inégalité de Young est alors introduite. Concernant la commande du procédé, une commande par retour d’état pour le suivi d’une trajectoire de référence est choisie. Prenant en compte la disponibilité partielle des mesures du vecteur d’état, un observateur exponentiel non linéaire est introduit dans la synthèse de la loi de commande. Ainsi, une commande par retour d’état basée observateur est obtenue. Pour effectuer l’analyse de stabilité du système en boucle fermée composée du procédé, de l’observateur et du contrôleur, le lemme de Barbalat est alors utilisé conjointement avec les techniques déjà mentionnées pour la synthèse d’observateurs. Enfin, deux différentes méthodes pour le calcul des paramètres du contrôleur et de l’observateur sont proposées. Séparément, dans un premier temps. Puis simultanément dans un second temps / In this thesis, we propose a formal modelling framework for the anaerobic digestion process, where we add more degrees of freedom in the control of biogas production. Indeed, we add two additional control inputs to the standardized AM2 (Acidogenesis Methanogenesis, 2 steps) model, reflecting addition of stimulating substrates which enhance the biogas quality and quantity. Then, we describe how the parameters of the resulted nonlinear model can be identified, and we analyse the positiveness and boundedness of its state variables. Based on the derived mathematical model and the analysis results, we design different software sensors to overcome the lack of reliable and cheap sensors. Indeed, we present a general class of systems to which the considered process model belongs. Then, we design an LMI-based invariant like observer as well as an LMI-based nonlinear observer of the same form as the generalized Arcak’s observer. Furthermore, with the aim to render the observer design more robust to disturbances, we include the H∞ criterion in its synthesis. Also, to promote the use of the proposed observers in real applications, we extend the methodology to the discrete time case and to the case of nonlinear systems with nonlinear outputs. For the different observers design, we use the differential mean value theorem which allows the transformation of the nonlinear estimation error to a linear parameter varying system. Then, we use the Lipschitz conditions and the Lyapunov standard function to synthesize the stability conditions in the form of linear matrix inequalities. Finally, we enhance the feasibility of the later conditions by using a judicious reformulation of the Young’s inequality. In the thesis, we also deal with the process control where we propose a control strategy to track an admissible reference trajectory planned by the plant operator. Moreover, to account for the partial availability of the state vector measurements, we include an exponential nonlinear observer in the control synthesis. Thus, we design an observer based tracking control scheme. To perform the stability analysis of the closed loop system, composed of the system, the observer and the controller, we use the Barbalat’s lemma conjointly with the techniques already mentioned for the observers design. Finally, we propose two different methods to compute the controller and the observer parameters. In the first one, we propose to compute them separately. While, in the second one we compute the parameters simultaneously

Dans les espaces ruraux et périurbains d’Haïti, les déchets et résidus organiques générés principalement par les activités agricoles et agroindustrielles, sont traditionnellement valorisés in situ dans l’alimentation animale comme provende, dans la fertilisation des sols comme amendement organique et/ou à des fins énergétiques comme combustibles. Parallèlement, au niveau des villes, les déchets organiques sont majoritairement éliminés sans aucune forme de ségrégation dans des décharges non contrôlées. Ce travail de recherche a voulu mettre l’accent sur l’opportunité de valoriser ces déchets par la méthanisation approchée comme une voie alternative de traitement biologique des déchets organiques fermentescibles. Le travail d’évaluation des gisements de déchets organiques a mis en évidence que la mauvaise gestion de ces gisements entraine une perte annuelle de matières estimée à près de 2 960 000 tonnes de matière sèche, potentiellement convertibles en 367 500 000 Nm3 de méthane ou 310 000 tep, correspondant à environ 16% de la couverture énergétique finale des ménages à l’échelle nationale. L’approche expérimentale à l’échelle de laboratoire a permis d’évaluer les potentiels biométhanogènes de certaines catégories de déchets d’origine agricole, dont la bagasse, le chou et les déjections de bovins, porcins et poulets, ainsi que les possibilités d’optimisation des cinétiques de digestion anaérobie par des moyens peu onéreux comme la réduction de la taille des particules, l’augmentation du ratio InoculumMV/SubstratMV et les effets de synergie liés à la co-digestion. Des recherches à l'échelle du pilote de terrain ont également été réalisées. Un digesteur a été construit sur le modèle des digesteurs indiens et suivi pendant plusieurs semaines. Malgré les conditions particulières de mise en œuvre du pilote, les essais réalisés ont démontré la faisabilité de la filière avec la technologie rustique sélectionnée. Le temps de retour sur investissement pour un fonctionnement optimal du digesteur pilote a été estimé à 5 ans. / In rural and peri-urban areas of Haiti, organic wastes and residues generated mainly by agricultural activities and agribusiness, are traditionally valued in situ in animal feeding as feed, in the fertilization of the soil as organic conditioner and/or for energy purposes as fuels. In parallel, the organic wastes of the cities are predominantly eliminated without any form of segregation in non-controlled landfills. This research work aimed to place the emphasis on the opportunity of valuing these wastes by biomethanation as an alternative way of biological treatment of organic biodegradable wastes. The exercise of assessment of organic wastes production has highlighted a loss of wastes-resources estimated at about 2 960 000 tons of dry matter per annum, potentially convertible to 367 500 000 Nm3 of methane or 310 000 toe, corresponding to approximately 16% of recovery of the final energy demand of the households of the whole country. The experimental approach at laboratory scale allowed to assess the ultimate biomethane potential different types of agricultural wastes like bagasse, cabbage and cattle, pigs and chickens manures as well as the possibilities of optimizing the kinetics of anaerobic digestion by some inexpensive means as the reduction of the particles size, the increase of ratio IVS/SVS, the nutrient balance and the synergy effects of co-digestion. The special conditions of implementation of the pilot approach have demonstrated the feasibility of the development of biomethanation technology, with a return period of about 5 years.

L’élimination des micropolluants organiques est devenue aujourd’hui un objectif de santé publique car leur toxicité et bioaccumulation au travers de la chaine trophique sont incontestables. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et le nonylphénol (NP) présents en faible concentration dans l’eau usée sont peu éliminés par le traitement. Ces composés hydrophobes se retrouvent fortement sorbés à la matière organique des boues de station d’épuration. Les procédés de traitement de ces boues, comme la digestion anaérobie (DA) jouent un rôle central car ils constituent une des dernières barrières avant rejet vers l’environnement par épandage. La DA élimine les HAP et le NP mais les performances restent insatisfaisantes. L’objectif de cette thèse est d’améliorer les performances d’élimination des HAP et NP par la DA en utilisant l’électrolyse microbienne et l’ajout des matériaux conducteurs. Les résultats montrent que le graphite poreux permet de lever deux limites à la bioremédiation des HAP: le manque d'accepteurs d'électrons terminaux et la biodisponibilité limitée des HAP. En effet, le graphite poreux semble faciliter l'échange direct d'électrons avec la communauté syntrophique anaérobie ce qui améliore les performances d’hydrolyse de la matière et des contaminants associés, particulièrement, l’élimination de 12 HAP est accrue de 21 à 33 %. Pour le NP, les processus impliqués semblent être différents car aucune amélioration n’est observée quelles que soient les conditions.. L’addition du graphite non-poreux (avec une surface spécifique moindre) et du platine (avec une conductivité plus élevée) n’éliminait que deux HAP de faible poids moléculaire suggérant que la conductivité ne constitue pas un facteur majeur dans la dissipation des HAP. L’ajout du graphite poreux en plus grande quantité, par contre, n’a pas confirmé l’hypothèse qu’une augmentation de surface spécifique du matériau conducteur accroit également l’élimination des HAP. Lors de la DA assistée par différents matériaux, un enrichissement de méthanogènes hydrogénotrophs a été constaté qui pourra être à la racine des performances observées. Dans ce contexte, la composition microbienne de l’inoculum joue un rôle majeur dans l’ampleur d’une biodégradation des HAP. L'utilisation de matériaux conducteurs abordables tels que le graphite poreux et non-poreux pourrait présenter une stratégie de biodégradation alternative pour éliminer les HAP des boues, du sol ou des sédiments. / The elimination of organic micropollutants from the environment has become a public health goal today because of their toxicity and bioaccumulation through the trophic chain. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and nonylphenol (NP) are found at low concentrations in wastewaters. They are removed from wastewaters by sorption onto sewage sludge due to their hydrophobicity. Anaerobic digesiton (AD) that is used for sewage sludge treatmentThe treatments of these sludge, like anaerobic digestion (AD), therefore, plays a central role in reducing the micropollutant load before dissemination to the environment via sludge spreading. Removal performances of PAHs and NP are removed byunder AD are, yet, but limitedwith low performances. The aim of this PhD work is to enhance removalthese performances thanks to the use of two emerging techniques, microbial electrolysis and the addition of conductive materials. The results demonstrate that independent of the application of a potential porous graphite circumvents two limits of PAH bioremediation: the lack of terminal electron acceptors and PAHs’ limited bioavailability. Mediatorless electron exchange between the anaerobic syntrophic community and the conductive material presumably facilitates sludge hydrolysis which, in turn, leads to the enhanced bioavailability of PAHs and their subsequent biodegradation. The reductions of 12 PAHs were improved by 21 to 33% while NP was eliminated to the same extent in the digesters with and without conductive material. The addition of non-porous graphite (with less specific surface) and platinum (exhibiting higher conductivity) eliminated only two low molecular weight PAHs suggesting that conductivity is not a major factor in the dissipation of PAHs. The addition of porous graphite in larger quantities, however, did not support the hypothesis that an increase in specific surface area of the conductive material also enhances the removal of PAHs. During conductive material supplemented AD, an enrichment of hydrogenotrophic methanogens was ascertained which could be at the root of the removal performance. In this context, the microbial composition of the inoculum plays a major role in the extent of PAH biodegradation. The use of affordable conductive materials such as porous and non-porous graphite may present an alternative biodegradation strategy for removing PAHs from sludge, soil or sediments.

La digestion anaérobie par voie sèche est un procédé de valorisation des déchets organiques qui est défini par une teneur en matière sèche supérieure à 15%. Ce procédé est particulièrement adapté aux déchets ligno-cellulosiques puisqu’il ne nécessite qu’un ajout limité en eau. Cependant, la digestion anaérobie est inhibée pour des teneurs en matière sèche élevées, due à une diminution des transferts gaz-liquide au sein du milieu qui provoquerait des accumulations locales de produits inhibiteurs comme les gaz dissous. L’objectif de cette thèse est donc de comprendre le rôle des gaz dissous dans la digestion anaérobie par voie sèche à l’échelle microscopique et mésoscopique. Les principaux résultats montrent que l’hydrogène inhibe spécifiquement l’hydrolyse de la matière ligno-cellulosique à l’échelle microscopique. Cette inhibition est réversible en ajoutant du dioxyde de carbone, par consommation de l’hydrogène, avec cependant des effets rémanents inhibiteurs visibles sur la méthanogenèse et la dégradation de l’acétate. A l’échelle mésoscopique, la diminution des transferts de matière inhiberait l’hydrolyse, par l’accumulation locale d’hydrogène. De plus, un gradient de concentration d’hydrogène se met en place et serait responsable du gradient de concentration des acides gras volatils au sein du milieu. De plus, l’ajout de dioxyde de carbone à l’échelle mésoscopique avec un transfert gaz-liquide limitant augmente la concentration en acides gras volatils et baisse le pH du milieu, ce qui indique le rôle important du dioxyde de carbone dans la diminution des performances de la digestion anaérobie pour de fortes teneurs en matières sèches. / Dry anaerobic digestion is a method of organic waste treatment and conversion to bioenergy, defined by a total solid content over 15%. This process is particularly suitable for lignocellulosic residues since the quantity of water to be added for the process is rather limited. However, dry anaerobic digestion processes is inhibited for a high total solid content, due to a decrease of the gas-liquid transfer within the medium, which may cause local accumulations of inhibitory byproducts, such as dissolved gases. This thesis aims to better understand the role of dissolved gas in dry anaerobic digestion at microscopic and mesoscopic scale. It was shown that hydrogen can inhibit specifically the hydrolysis step of lignocellulosic residues at microscopic level. This inhibition was reversible after addition of carbon dioxide, with remaining inhibitory effect on the acetate degradation and methanogenesis. At mesoscopic scale, the decrease of the mass transfer inhibits the hydrolysis, by dissolved hydrogen accumulation. Moreover, a local hydrogen concentration gradient was present and seems responsible for a concentration gradient of volatile fatty acids in the medium. Moreover, adding carbon dioxide at mesoscopic scale, with a limited gas-liquid transfer, increased the volatile fatty acids concentration and decreased the pH, which showed the important role of carbon dioxide in the inhibition of anaerobic digestion under high dry matter content.

La digestion anaérobie est efficace pour traiter d'effluents fortement chargés de<br />matière organique. Des bactéries anaérobies transforment les polluants en un biogaz<br />énergétiquement valorisable (composé principalement de méthane et de dioxyde de<br />carbone). Néanmoins, ce bioprocédé est sensible aux variations des conditions opératoires<br />et il contient de variables difficiles à mesurer ce qui impose une grande diversité de<br />sujets de recherche. Dans ce contexte, nous proposons un observateur d'état flou pour<br />l'estimation de variables à accès difficile. Les variables floues utilisés par l'observateur<br />sont choisies à partir d'une analyse en composantes principales. Par ailleurs, les lois<br />de commande pour la digestion anaérobie sont actuellement conçues pour résoudre un<br />problème à la fois. Ainsi, nous élaborons une stratégie de commande intelligente (basée<br />sur la commande floue) qui combine les avantages de différentes actions de commande<br />pour atteindre plusieurs objectifs à la fois. Enfn, nous avons mise en place une étape<br />expérimentale de manière à valider notre démarche.

La digestion anaérobie est un processus biologique dans lequel un consortium microbien complexe fonctionnant en absence d’oxygène transforme la matière organique en biogaz, principalement en méthane et en dioxyde de carbone. Parmi les substrats organiques, les lipides sont les plus productifs de méthane par rapport aux glucides et aux protéines; mais leur dégradation est très difficile, en raison de leur hydrolyse qui peut être l’étape limitante. Les algues peuvent être une source importante pour la production de méthane à cause de leur contenu en lipides potentiellement élevé. L’objectif de cette étude était, par conséquent, d’évaluer la production en méthane des microalgues en utilisant la technique du BMP (Biochemical méthane Potential) et d’identifier les limites de biodégradion des lipides dans la digestion anaérobie. Le plan expérimental a été divisé en plusieurs étapes: 1) Comparer le potentiel énergétique en méthane des macroalgues par rapport aux microalgues. 2) Faire le criblage de différentes espèces de microalgues d’eau douce et marines afin de comparer leur potentiel en méthane. 3) Déterminer l'impact des prétraitements sur la production de méthane de quelques microalgues ciblées. 4) Identifier les limites de biodégradation des lipides algaux dans la digestion anaérobie, en étudiant les étapes limitantes de la cinétique des lipides et de chacun des acides gras à longues chaines. Les résultats ont montré que les microalgues produisent plus de méthane que les macroalgues. Les BMP des microalgues d'eau douce et marines n'ont montré aucune différence en termes de rendement en méthane. Les résultats des prétraitements ont montré que le prétraitement thermique (microonde) semblait être plus efficace que le prétraitement chimique (alcalin). Les tests de contrôle du BMP faits sur l'huile de palme, l’huile de macadamia et l'huile de poisson ont montré que l'hydrolyse des huiles en glycérol et en acides gras à longues chaines n'était pas l'étape limitante dans la production de méthane. L'ajout de gras dans les échantillons de Phaeodactylum dégraissée a augmenté le rendement de méthane et cette augmentation a été corrélée à la quantité de matières grasses ajoutées. / Anaerobic digestion is a biological process in which an anaerobic microbial consortium converts organic matter into biogas, primarily methane and carbon dioxide. Among the organic substrates, lipids are the most productive of methane in comparison to carbohydrates and proteins; but their degradation is very difficult, due to their hydrolysis which can be the limiting step. Algae can be an important source for methane production because of their potentially high content of lipids. The objective of this study was, therefore, to evaluate the methane production of microalgae using the Biochemical methane Potential (BMP) technique and to identify the limit of biodegradation of lipids in the anaerobic digestion. The experimentation plan was divided into the following stages: 1) Compare the energy potential in methane of macroalgae versus microalgae. 2) Screen different species of freshwater and marine microalgae to compare their methane potential. 3) Determine the impact of mild pretreatment of targeted microalgae on the methane production. 4) Identify the limits of biodegradation of algal lipids in the anaerobic digestion by studying kinetics limiting steps of lipids and individual LCFA (Long Chain Fatty Acids). The results showed that microalgae produce more methane than macroalgae. The BMP of freshwater and marine microalgae showed no difference in terms of methane yield. The results of pretreatment showed that the thermal (microwave) pretreatment seemed to be more effective than the chemical (alkaline) pretreatment. A BMP control test done on palm oil, macadamia oil and fish oil showed that the hydrolysis of oils in glycerol and LCFA was not the limiting step in the production of methane. The addition of fat in the samples of defatted Phaeodactylum increased the methane yield and this augmentation was correlated to the quantity of fat added.

La limitation des ressources énergétiques fossiles et les lourds impacts environnementaux pouvant résulter de leur exploitation, entraînent un regain d’intérêt pour la digestion anaérobie. Face aux enjeux énergétiques et sanitaires, la conduite d’un méthaniseur implique l’optimisation de la production de méthane, mais aussi d’assurer la qualité sanitaire du digestat du point de vue des micropolluants. C’est dans ce cadre que s’inscrit ce projet de thèse réalisé en partenariat avec la ferme expérimentale de la Bouzule. L’optimisation de la co-digestion de substrats a montré que l’ajout d’herbe ensilée durant 36 semaines, améliorait le rendement du procédé de 20%. Le suivi des micropolluants (métaux lourds et HAPs) contenus dans les herbes provenant des bordures de route a montré que la qualité du digestat ne serait pas affectée si elles sont incorporées au digesteur. L’étude en réacteur batch de l’impact des antibiotiques sur la production de méthane a montré que : à 8 mg/L et 16 mg/L de tétracycline on observe une baisse de 23% et 28% respectivement, à 14 mg/L de spiramycine on observe une baisse de 40%, et à 20 mg/L de tylosine on observe une baisse de 30%. En réacteur continu, les faibles concentrations de tétracycline (0,2 mg/L et 2 mg/L) amélioraient d’environ 5% de la production de méthane au bout de 7 jours. A 200 mg/L et 2000 mg/L de tétracycline, on atteint des baisses de 30% et 40%, et le système ne récupère pas au bout de 7 jours. Quant à la spiramycine, à 1,4 mg/L, 14 mg/L et 140 mg/L, les baisses ont été de 14%, 24% et 39% respectivement, et au bout de 7 jours, une baisse résiduelle est toujours observable. Par ailleurs, les digestats issus des tests avec les antibiotiques sont en accord avec la réglementation / The limitation of fossil energy resources and heavy environmental impacts arising from their operation, there is a renewed interest for anaerobic digestion. According to the energy, and health issues, the monitoring of an anaerobic digester involves the maximization of the methane production, but also to ensure a good quality of digestate from the perspective of micropollutants. It is within this framework that this project of thesis is realized in partnership with the experimental farm of “La Bouzule”. The optimization of the co-digestion of substrates, showed that the use of 36 weeks grass silage improved the process yield by 20%. The monitoring of heavy metals and PAHs content in the grasses from roadsides showed that these grasses – if used as co-substrate in the digester – will not affect the digestate quality. The study of the impact of antibiotics on methane production in batch reactor showed that: 8 mg/L and 16 mg/L of tetracycline led to 23% and 48% decrease respectively, 14 mg/L of spiramycin led to 40% decrease, and 20 mg/L tylosin to 30% decrease. The monitoring of the continuous reactor showed that low levels of tetracycline (0.2 mg/L and 2 mg/L) led to an improvement of about 5% of the methane production. At 200 mg/L and 2000 mg/L of tetracycline, reductions of 30% and 40% are achieved, and the system did not recover after 7 days. The addition of spiramycin to the continuous reactor at 1.4 mg/L, 14 mg/L and 140 mg/L resulted in decreases of 14%, 24% and 39% respectively. For the latter, after one week, a residual drop is still observable. Furthermore, the digestate resulting from the monitoring of the continuous reactor during the tests with antibiotics is in accordance with current regulations

La digestion anaérobie est utilisée depuis près d’un siècle comme un traitement efficace des déchets organiques. L’intérêt de ce traitement en anaérobie est en essor, car il présente des avantages significatifs sur les traitements alternatifs biologiques et d’autres options d’élimination des déchets. Cette étude se focalise sur l’optimisation du processus de digestion anaérobie en utilisant deux stratégies différentes. La première vise à augmenter la biodégradabilité du substrat par un prétraitement thermique. La seconde technique repose sur l’utilisation d’un système de biofilms pour augmenter le taux de production de biogaz et minimiser la taille du réacteur.Les déchets alimentaires sont principalement utilisés comme substrat modèle de par leur composition, leur abondance et leur renouvellement. Dans ces travaux de thèse, l’influence de la température des prétraitements thermiques sur la solubilisation de la matière organique, ainsi que la production de méthane des déchets alimentaires sous différentes conditions ont été étudié. Une amélioration significative de la solubilisation et de la biodégradabilité des déchets alimentaires ont été observés pour tous les prétraitements thermiques sur les déchets alimentaires comparativement aux déchets non traités. La plus importante amélioration (28%) de la biodégradabilité a été observée pour les déchets alimentaires traités à la plus basse température de prétraitements (80°C). Les résultats montrent une corrélation forte entre le type de substrats (carbohydrate, protéines et teneur en lipides), la température de prétraitement thermique et son efficacité dans l’amélioration de la biodégradabilité.Dans une seconde partie, une opération prolongée d’un système intégré à deux étages, incluant une cuve agitée en continu et un réacteur à biofilm anaérobie a été réalisé pour produire du biohytane (biohydrogène et méthane) à partir de déchets alimentaires. Le réacteur à biofilm anaérobie a été utilisé pour remédier au lessivage de la biomasse du réacteur. La formation d’une biomasse mature et équilibrée a amélioré de façon importante la stabilité du processus, ce dernier n’ayant pas été affecté par un raccourcissement du temps de rétention hydraulique (HRT) de 6 à 3,7 jours dans le premier réacteur, et de 20 à 1,5 jours dans le second réacteur. De plus, le système à deux étages, constitué d’un pilote à l’échelle d’un batch pour la fermentation sombre et d’un réacteur à biofilm anaérobie, coproduisant de l’hydrogène et du méthane à partir de la fraction organique des déchets solide ménagers (OFMSW), a été utilisé afin de déterminer la capacité d’un réacteur à biofilm anaérobie à supporter un choc de charge organique. Les résultats montrent une récupération plus rapide du réacteur à biofilm anaérobie après un évènement de charge organique / Anaerobic digestion (AD) has been used over a century for an effective treatment of organic wastes. Interest in anaerobic treatment is continually increasing since it presents significant advantages when compared to alternative biological treatments and waste disposal options. This research study was mainly focused on optimization of the AD process, that was achieved through two different strategies. The first aimed at increasing the substrate biodegradability by a means of thermal pretreatment. The second was focused on the application of a biofilm based system to improve the biogas production rates and minimize the reactor size.Food waste (FW) was mainly used as a model substrate due to its suitable composition, abundance and renewability. In this thesis the influence of thermal pretreatment temperature on organic matter solubilization and methane yield of FW under different operational conditions was investigated. Significant improvement of the FW solubilization and biodegradability were observed for all thermally pretreated FW compared to the untreated FW. The highest biodegradability enhancement, i.e. + 28 %, was observed for FW treated at the lowest thermal pretreatment temperature, i.e. 80 ⁰C. The results showed a strong correlation between the substrate type (e.g. carbohydrate, protein and lipid content), the thermal pretreatment temperature and its effectiveness in promoting the biodegradability.In the second part of the work, a prolonged operation of an integrated two-stage system, including a continuously stirred tank and an anaerobic biofilm reactor, was carried out to produce biohythane (biohydrogen and methane) from the FW. The anaerobic biofilm reactor was employed to overcome the biomass wash-out from the reactor. The formation of a well-matured and balanced AD biomass greatly improved the process stability, which was not affected by shortening the hydraulic retention time (HRT) from 6 to 3.7 days in the first reactor and from 20 to 1.5 days in the second reactor. Moreover a two-stage system, comprised of a pilot scale batch dark fermenter and an anaerobic biofilm reactor co-producing hydrogen and methane from the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW), was used to assess the capability of the anaerobic biofilm reactor to face an organic shock loads. The results showed a faster recovery of anaerobic biofilm reactor performance after the shock load events

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