Le surcoût de fonctionnement d'un BRM immergé a pour origine essentielle la dépense d'énergie liée à la maîtrise de la perméabilité membranaire par aération. La littérature montre les liens qui existent entre concentration en biomasse dans le réacteur et présence de produits microbiens solubles liés à l'activité bactérienne. Réduire la demande en énergie signifie réduire l'aération membrane, voire l'aération process liée aux besoins en oxygène des populations épuratrices. Pour ce faire, il est donc déterminant de réduire l'activité biologique au sein du réacteur sans pour autant dégrader la qualité de l'eau traitée. Pour répondre à ce défi, il a été proposé de développer un BRM en association avec un prétraitement physico-chimique dont le rôle est de retenir une grande part de la matière organique (mais aussi probablement les phosphates), le BRM n'a alors pour rôle que de traiter le résiduel de matière organique et d'éliminer les composés azotés peu retenus par précipitation physico-chimiques. Ainsi, la demande en oxygène sera réduite car il reste peu de DCO à dégrader et la croissance cellulaire limitée car les populations seraient essentiellement autotrophes. Ce travail de thèse a donc été centré sur les points suivants : (i) les performances d'un bioréacteur à membrane fonctionnant sous une charge essentiellement azotée, ces performances sont analysées en termes de réactions d'élimination des fractions polluantes et de filtrabilité des suspensions, (ii) suivi et modélisation des cinétiques de réactions, (iii) définition d'outils simples de dimensionnement. Des méthodologies expérimentales originales ont été mises en place, réacteur pilote et méthodes d'analyses spécifiques (suivi en ligne des composés azotés, méthodes respirométriques notamment). Les résultats obtenus ont permis d'évaluer (i) les capacités de nitrification en régime permanent, (ii) les grandeurs cinétiques propres aux populations autotrophes suivant le modèle ASM1 (XBA, YA, KSH, bA), (iii) la filtrabilité des suspensions sur membranes poreuses avec une contribution significative de la résistance hydraulique due à un biofilm qui se développe en surface de membrane (par rapport aux autres processus, notamment les phénomènes d'adsorption ou bouchage de pores). Ces résultats ont permis de définir des nouveaux outils simples d'extrapolation, notamment des grandeurs réactionnelles spécifiques propres aux espèces nitrifiantes comme le ratio rSNHmax/OURendaut exprimant un rapport de vitesse de nitrification par une grandeur proportionnelle à la concentration en biomasse nitrifiante. / Membrane bioréactor, coupling bioreactions and porous membrane separation in a same unit, allows working with high biomass concentrations what improves bioreaction rates but penalizes the separation step. This work had as objective to study the nitrifiers micro-organisms on the membrane fouling dynamic and on the nitrogen removal efficiency. According to precedent works of the laboratory and the analyses of references, the objective was axed on the modeling tools available for heterotrophe and autotrophe biomass caracterisation. Then, specific methodologies were carried out, lab scale pilots and analytical methods, notably for active biomass observations and identification. Theses tools underline the role of these dominant populations (i) the use of ASM to simulate the biomass performances in relation with working conditions and (ii) the respirometric methods to experimentally quantify the specific biomass activity. Then results clearly pointed out the role of the COD/N ratio on the biomass and MBR performances. Passing from the urban wastewater to synthetic substrate with a final COD/N ratio of 1.5, the proportion of autotrophic bacteria in active biomass increased from 16 to 72%. Specific criteria were defined to characterise the biomass activity as rnitrif/ OURAutoend or rDCO / OURHetend allowing universal parameters definition