La digestion anaérobie est un processus de transformation de la matière organique en biogaz riche en méthane. Les déchets solides sont le plus souvent traités par une technologie par voie sèche qui est caractérisée par des teneurs en matières sèches supérieures à 20%. Du fait de la faible teneur en eau, la digestion sèche présente de nombreuses inconnus scientifiques, tant au niveau microbiologique et physico-chimique. Le but de cette thèse est de comprendre l'influence des parametres opératoires spécifiques à la digestion anaérobie par voie sèche sur les performances et le comportement des communautés microbiennes de ce processus. Les résultats obtenus montrent que l'augmentation de la teneur en matières sèches au-delà de 30% et la diminution de la surface spécifique d'échange ont un effet négatif sur le processus de digestion anaérobie. En effet lorsque la teneur en matière sèche est supérieure à 30%, le transfert des gaz dissous du milieu réactionnel vers le ciel gazeux peut limiter la méthanisation. L'analyse des populations microbiennes montre la présence de bio-indicateurs bactériens liés au non fonctionnement de la digestion anaérobie. Ces bio-indicateurs sont des clostridium et sont présents quel que soit l'inoculum utilisé. L'étude des populations méthanogènes montre une sensibilité de ces microorganismes à leur environnement : des shifts de populations méthanogènes ont été observés en fonction de la concentration en matières sèches. Ce travail a permis d'accroître les connaissances dans le domaine de la digestion anaérobie sèche, ces connaissances pouvant contribuer à améliorer les performances des procédés. / Anaerobic digestion is the transformation of organic matter into biogas rich in methane. Solid waste is treated by dry anaerobic digestion process with a total solid content higher than 20%. The high solids content make the process difficult to control. The aim of this work is to study the influence of operating parameters specific to dry anaerobic digestion on performances and behavior of microbial communities. The results show that increasing the solids content higher than 30% and decreasing the specific surface area of change have a negative effect on the anaerobic digestion process. Indeed, when the solids content exceeds 30%, the transfer of dissolved gas from the reaction mixture to the headspace can limit anaerobic digestion. The analysis of microbial populations demonstrates the presence of bacterial bio-indicators related to no-functioning anaerobic digestion. These bio-indicators correspond to the clostridium genus and are present regardless of the inoculum source. The study of methanogenic Archaea shows a sensitivity of these microorganisms. Shifts in the methanogenic populations related to the concentration of total solids were observed. This work has improved the fundamental knowledge of dry anaerobic digestion which can help improve the performance of this process.

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 en voie sèche représente une opportunité de développement de la méthanisation sur le territoire français au vu des gisements agricoles disponibles sur le territoire. Toutefois, l’importance des verrous scientifiques et technologiques de par leur nombre et leur complexité rend cette technologie non mature et peu développée sur le territoire français. Dans ces travaux de thèse, il a été étudié dans un premier axe la mise au point de la détermination de la demande chimique en oxygène (DCO) pour des substrats solides avec un kit commercial rendant celle-ci utilisable sans dilution des déchets et utilisant une faible quantité de réactifs. Cette méthode est un outil de suivi des installations. Un deuxième axe d’étude qui s’est attaché à l’étude de la phase d’acidification, verrou majeur de la méthanisation phase sèche, a démontré l’impact de la conservation et de l’origine des inocula sur leur capacité à gérer une phase d’acidification en présence de déchets facilement hydrolysables. L’inoculum est un paramètre majeur de la méthanisation voie sèche et est pourtant peu étudié. Un troisième axe de cette thèse concerne l’étude des transferts hydriques sur des substrats d’origine agricole par une méthodologie de traçage et de modélisation via le modèle à deux régions d’eau mobile et immobile. L’évolution des transferts hydriques a été étudiée au cours de la digestion anaérobie de fumier bovin en digesteur 60 L montrant une diminution de la perméabilité du massif après le deuxième pic de production de méthane. Par conséquent, tout l’inoculum recirculé passe par les côtés et non au sein du massif solide. Deux fréquences de recirculation ont été testées permettant d’obtenir une amélioration de la production de méthane d’environ 20 %. La caractérisation des transferts hydriques obtenus pour ces deux modalités sont identiques après 32 jours de dégradation anaérobie. Le gain de méthane obtenu se fait donc jusqu’au deuxième pic de production de biogaz par la recirculation. Les bilans hydriques et massiques effectués sur ces digesteurs 60 L démontrent que 36 % de la matière organique sont retrouvés dans le digestat montrant un procédé non optimisé. Le quatrième axe d’étude a été de comprendre et d’étudier la dynamique des populations méthanogènes au sein de digesteurs de méthanisation voie sèche de 60 L selon deux configurations. Des expérimentations modulant l’immersion du massif solide ont conduit à obtenir une amélioration de 13 % de production de méthane pour la condition favorisant l’immersion. Cette augmentation de production de méthane est induite par une plus forte quantité de Methanosarcinaceae. La dynamique des populations méthanogènes a été étudiée dans la phase solide et liquide au cours de la digestion anaérobie montrant un transfert microbien de la phase liquide à solide pour un ordre des bactéries hydrogénotrophes, une hiérarchie de ces « hydrogénotrophes » dans le milieu et un fort développement des « acétotrophes » dans le milieu solide servant de support. Dans un cinquième axe, la mise en oeuvre de la tomographie électrique sur un digesteur de 30 m3 a permis de valider son utilisation pour localiser la phase liquide, les zones de potentiels méthane et les zones dégradées dans un container en fonction des protocoles de remplissage et de vidange du digesteur. Cette méthode est disponible pour localiser les zones mortes et donc pour optimiser le procédé de méthanisation en voie sèche type batch. A travers ces expérimentations menées à différentes échelles et avec différentes problématiques, des méthodologies ont été adaptées pour la compréhension des mécanismes et le suivi du procédé de méthanisation par voie sèche. / The dry anaerobic digestion (AD) process is an opportunity to develop the methanization in France. Agricultural waste is abundant in France. However, many scientific and technical locks are complex and must be solved to develop the dry anaerobic digestion process in France. In this work, the chemical oxygen demand (COD) method was adapted for solid waste no implying waste dilution or a high quantity of reagent. This COD method was available to monitor and manage the dry AD process. The study of acidification phase, a major lock of the dry AD process, showed that the storage condition and the origin of inoculum influence the capacity to manage this phase. The inoculum is a major parameter of the dry AD process. But, the inoculum is few studied.On another part of experiments concerned the water transfers studied on agricultural waste with a tracing method. The modeling of the elution curves to determine the diffusion and the convective transfers was made with a model with two Mobile-Immobile regions. The evolution of water transfers was studied during the AD cycle showing a decrease about the permeability of solid phase after the second peak of methane production. Thus, the inoculum passes on the board of solid phase. Two recirculations were tested allowing to obtain an improvement the methane production about 20 % after the AD cycle. The water transfers of these two recirculations modalities were identical after the AD cycle. The improvement of methane production occurred after the second peak of the methane production. Water and mass balances made showing that 36 % of organic matter was find in the digestat. Consequently, the process was not optimized. Others experiments modulating the immerged part of solid phase showed an improvement of the methane production about 13 % with the increasing of immerged part. This methane improvement was induced by the development of Methanosarcinaceae. The methanogens dynamics were studied in the liquid and solid phases during the AD process showing (i) a population transfer between the liquid phase to the solid phase, (ii) a hierarchy of hydrogenotrophs methanogens in the media, and (iii) a strong development of acetotrophs methanogens in the solid phase. In the final part, the electrical tomography was implemented in a dry AD batch at full scale (30 m3). This method was adapted to localize the liquid phase, the zones of methane potential and the degraded zones according to filling and the emptying protocols. This method can detect the “dead” zones of process in dry AD process.Though, experiments carried out at different scales and with different problematic and several methodologies were adapted to understand the dry AD process. Moreover, the optimization of dry AD process was finding to increase the methane production.