Titre de l'écran-titre (visionné le 14 avril 2023) / Le stock limité des ressources de phosphore (P) et sa faible disponibilité dans le sol font du recyclage des sources organiques de P des priorités de l'agriculture moderne, surtout que cette forme permet d'augmenter l'efficacité de l'utilisation de P par la plante. Un essai en serre a été réalisé dans le but d'examiner l'efficacité de l'association à différents taux d'incorporation d'un digestat solide (DS) de déchets organiques avec le triple superphosphate (TSP) et à différents temps précédant le semis du ray-grass (Lolium multiflorum). Les résultats ont montré de faibles valeurs moyennes de rendements qui tournaient autour 3963 et 6655 kg/ha, des signes apparents de carence en P sur la majorité des traitements, confirmé par un diagnostic quantitatif des feuilles dont la teneur en P est toujours inférieure à la valeur minimale critique (VMC) de 0,2%, sauf au moment où on a apporté l'engrais au semis. Ces faibles rendements jumelés à des faibles concentrations foliaires en P, ont conduit à des coefficients d'utilisation du phosphore (CUP), trop faibles variant de -3,85% à 3,7% ce qui nous amène à penser que le sol utilisé est un puits de P, raison pour laquelle l'effet protecteur de l'amendement organique n'était pas clairement démontré. Plus tôt l'engrais phosphaté est apporté avant le semis, plus intense sera sa fixation par la matrice du sol, et ce, quelle que soit sa nature (P minéral de synthèse, ou P organique de biodigestat ou mélange des deux). Les coefficients d'efficacité relative (CERₚ) variaient de 63 à 80,5%. Tous les paramètres de rendement, de diagnostic foliaire de P, du CUP et de CERₚ n'ont pas permis de confirmer l'hypothèse de l'effet liguant du carbone (C) organique sur la diminution des sites de sorption de P dans les sols receveurs ayant initialement une forte capacité de fixation de P. Cet essai cultural mérite d'être étendu sur d'autres types de sols ayant un gradient de pouvoir fixateur en P afin de mettre en évidence l'effet liguant du C organique et de rehausser la fiabilité des résultats et la robustesse des conclusions. / The limited stock of phosphorus (P) resources and its low availability in the soil make recycling organic P sources one of the most urging priorities of modern agriculture since they increase its efficiency of use by plants. A greenhouse trial was carried out to examine the efficiency of the association at different rates of incorporation of a solid digestate (SD) of organic waste with triple superphosphate (TSP) at different times before the sowing of Rryegrass (Lolium multiflorum). The results showed low average yield values around 3963 and 6655 kg/ha. Apparent phosphorus deficiency was witnessed in most treatments, confirmed by a quantitative diagnosis of the leaves whose P content was always below the critical minimum value (CMV) of 0.2%, except when the fertilizer was applied at the same time as the sowing. Low yields combined with low P concentration led to low values of apparent phosphorus recovery (APR), which ranged from -3.85% and 3.7% implying that the soil used is a P sink, which is why the protective effect of the organic amendment was not clearly demonstrated. The longer the time between the application of the phosphate fertilizer and the seeding, the more intense the P (all sources combined) fixation by the soil matrix resulting in values of relative phosphorus efficiency (RPE) that varied between 63 and 80.5%. All the parameters of yield, foliar P concentration APR and RPE did not allow to confirm the hypothesis of the protecting effect of organic carbon and its potential to reduce P sorption sites in soils with high P fixing capacity amended with SD of organic waste. This experiment deserves to be extended to other soils with a P fixing power gradient to extend the findings to new contexts.

La biométhanisation est une biotechnologie qui exploite la capacité des consortiums bactériens anaérobie afin de solubiliser, dégrader et produire une grande quantité de biogaz à partir d’une grande variété de matière organique. Ce biogaz contient une concentration en méthane, laquelle confère un très grand pouvoir calorifique au biogaz pouvant être utilisé dans différents [i.e. différentes] applications (biocarburants, cogénération, trigénération etc.). La biométhanisation en milieu contrôlé assure l’hygiénisation de la matière organique tout en profitant du biogaz produit afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre, et d’éviter les émissions d’odeurs nauséabondes pouvant affecter la population entourant le site d’exploitation. En Europe, la méthanisation est répandue, dû aux politiques européennes qui ont introduit certaines réglementations en faveur de la méthanisation comme une technologie valable pour la production de l’énergie électrique à un prix compétitif. Ceci s’avère possible car, en Europe à la différence du Québec, l’électricité s’avère plus coûteuse. Au Québec, il existe différents projets de biométhanisation en cours. Le gouvernement a disposé de 650M$ dollars pour le développement de la méthanisation et du compostage afin de stimuler et chercher des alternatives de gestion des déchets moins nuisibles à l’environnement. Ce mémoire couvre les aspects techno-économiques et énergétiques de la gestion des substrats organiques putrescibles traités par un procédé de digestion anaerobie (biométhanisation) dans le contexte des Iles-de-la-Madeleine (ÎdM) en considérant un système de valorisation énergétique par cogénération (production d’énergie électrique et thermique). Cette étude est élaborée afin de traiter ~7 900 tonnes de matières organiques putrescibles (résidus de la collecte municipale, résidus de l’industrie de transformation de la mer et la boue de fosses septiques) provenant de la municipalité des ÎdM. Pour ce faire, ont été considérés 100%, 50% et 0% de l’apport actuel en matière [i.e. matières] putrescibles de l’industrie des pêches divisées en différents scénarios. Ces scénarios sont comparés d’un point vu [i.e. de vue] technicoéconomique et énergétique à l’aide du logiciel MATTEUS développé par Hydro-Québec afin de suggérer le meilleur procédé intégré de gestion des MR. dans le contexte des ÎdM. La technologie de méthanisation choisie dépendra de la biodégradabilité des déchets, ainsi que la composition et l’homogénéité de ces derniers. La technologie choisie repose sur un procédé de méthanisation à voie humide opéré en continu dans un digesteur infiniment mélangé en condition mésophile. Ce système fonctionne à une siccité du mélange des substrats admise au digesteur inférieure à 15%, ce qui justifie l’approche. À titre indicatif, le scénario traitant 100% d’apports de matières résiduelles (~7 900 tonnes de matières organiques/an) génère une production de méthane d’environ ~176 0 0 0 Nm³/an. Les résultats obtenus à partir des modélisations faites démontrent que le biogaz produit par la biométhanisation de ces déchets pourrait alimenter un groupe électrogène d’une puissance se situant entre 59 et 90 kWe dont le surplus de l’électricité pourrait être vendu. L’estimation de l’investissement nécessaire pour l’implantation d’un procédé de biométhanisation aux ÎdM varie entre 1.3 et 1.9 million de dollars selon le scénario considéré. Selon l’hypothèse d’une subvention du 67% du coût total de l’installation et d’un financement de 33% du coût total, à 4,58% d’intérêt amorti sur une période de quinze ans, le sommaire des dépenses annuelles incluant la main d’oeuvre, la maintenance et le remboursement du capital s’élève entre 124 000 et 144 000 $/an. Le scénario 100% qui gère les trois types d’intrants issus de la municipalité pour faire de la valorisation sous forme de cogénération de chaleur et d’électricité obtient le meilleur résultat économique avec un bilan annuel positif de 103 786 $/an (ce qui correspond à 8,29$/habitant.an). Afin de diminuer le coût de gestion de MR, la municipalité pourrait évaluer la possibilité d’utiliser le biogaz produit plus la matière résultante du compostage par un couplage de technologie (gazéification ou une autre) pour partager les coûts avec leurs partenaires et profiter du biogaz produit. En plus, dans ce projet, l’énergie thermique n’a pas été valorisée, ce qui représente une ressource possédant un potentiel économique éventuel pouvant être utilisé si des entreprises viennent se construire près de la source.

L’utilisation massive des antibiotiques contribue à leur accumulation dans les boues des stations d’épurations. L’application directe des boues est parmi les sources de dissémination des antibiotiques et des gènes de résistance aux antibiotiques. Le compostage et la méthanisation sont parmi les bioprocédés de traitement des boues qui permettent d’éliminer ou réduire les teneurs de certains antibiotiques. Dans ce travail, une boue primaire de la STEP de Marrakech a été contaminée par trois familles d’antibiotiques (macrolides, tétracyclines, fluoroquinolones) pour conduire 4 essais de compostage à différentes doses (dont un essai témoin) et un essai deméthanisation en mode semi-continu. Les résultats du compostage ont montré que l’augmentation des concentrations d’antibiotiques retarde la dégradation de la matière organique et affecte le ratioC/N. De même, la phase thermophile est perturbée, retardée et réduite dans le temps. Pour la méthanisation, une concentration unique et réaliste a été testée. Dans ces conditions, aucun effet sur la production du biogaz ou sur la dégradation de la matière organique n’a été observé. Afin de suivre la dissipation des trois familles d’antibiotiques utilisées au cours du compostage et de la méthanisation, une approche analytique basée sur l’extraction accélérée par solvant (ASE) suivie par l’application d’une méthode des ajouts dosés avant quantification par chromatographie liquide couplée à de la spectrométrie de masse en tandem (UPLC-MS/MS) a du être mise en point. Le compostage et la méthanisation permettent de réduire significativement les concentrations des molécules parents appartenant à la famille des macrolides et des tétracyclines. Par contre,l’élimination des fluoroquinolones est non-significative et ne dépasse pas 30%. Au cours du compostage, la dissipation des macrolides se fait en phase de stabilisation tandis que la phase de maturation est impliquée dans la dissipation des tétracyclines. Les concentrations encirprofloxacine (fluoroquinolone) semblent légèrement évoluer au cours du procédé probablement en raison d’une adsorption/désorption sur le co-substrat lignocellulosique utilisé. Concernant la méthanisation, l’élimination des macrolides et des tétracyclines est significative durant la stabilisation du procédé mais n’atteinds pas les rendements observés lors du compostage. Ladiminution des concentrations des molécules parents est probablement accompagnée par une biotransformation des antibiotiques sous forme de métabolites qui à ce stade ne sont pas connus.La question de la rémanence de certaines molécules comme les fluoroquinolones, interpelle quand au risque d’antibiorésistance. Ainsi, la valorisation des composts/digestats comme amendements organiques des sols dois à terme conduire à une réflexion concernant la réglementation qui inclus la présence de molécule de la classe des antibiotiques.

La Digestion Anaérobie (DA), ou méthanisation, est un procédé qui permet le traitement de déchets organiques et la production d’énergie renouvelable sous forme de biogaz. La DA par voie sèche permet en particulier la valorisation de substrats solides, offrant plusieurs possibilités aux traitements de résidus d’origine agricole tels les fumiers, des substrats constitués d’un mélange de paille, fèces et urine accumulés dans les litières des étables. Parmi les technologies disponibles en méthanisation, les « leach-bed reactors » (LBRs), constituent une option valide mais toutefois peu connue et peu développée soit au niveau scientifique qu’industriel.Dans le but d’optimiser ce procédé, plusieurs problématiques ont été affrontées : (i) la caractérisation bio-physico-chimique du fumier et du potentiel énergétique exprimé dans un LBR; (ii) l’optimisation de l’inoculation des réacteurs et de la température de digestion ; (iii) la co-digestion du fumier avec un substrat facilement biodégradable et la problématique reliées à la gestion des acides gras volatiles (AGVs) ainsi produits.Les résultats montrent que le fumier est un substrat lentement biodégradable qui nécessite un long temps de digestion. Cependant, il s’agit d’un déchet agricole adapté à la valorisation par méthanisation et dont les rendements de dégradation et de production de méthane en LBRs sont intéressants industriellement. Ce substrat est par conséquent une ressource organique précieuse dans le contexte agricole.Il a été montré que le fumier bovin contient une population méthanogène active capable de démarrer un procédé de digestion anaérobie efficacement sans l’ajout d’un inoculum externe spécifique, autant en mode mésophile que thermophile. Une analyse économique a démontré que cette propriété peut être exploitée afin de diminuer les coûts d’investissement initiaux d’un projet à l’échelle industrielle, en favorisant de cette manière le développement de la filière. De plus, les résultats montrent que pour la digestion du fumier en LBRs le mode thermophile ne comporte aucun intérêt par rapport à la production finale de méthane (qui est similaire pour les deux régimes) et que, au contraire, la valorisation par cogénération du méthane produit en thermophile diminue le rendement de production électrique surtout à cause d’une production de méthane très importante en début de digestion. Le régime mésophile parait donc être le mode de fonctionnement le plus adapté dans ce contexte.Enfin, le rôle joué par la percolation du lixiviat sur la mobilisation des AGV accumulés dans la fraction solide a été mis en lumière dans un réacteur de co-digestion traitant une fraction de lentement biodégradable (le fumier) et une fraction facilement biodégradable. Une stratégie a été développée afin d’étudier le problème de l’extraction et de la consommation des AGV dans le but d’améliorer le rendement global du procédé.Pour conclure, ce travail a permis d’optimiser certains paramètres fondamentaux dans la gestion d’un LBR. Cette technologie s’est révélée efficace dans le traitement du fumier, autant en mono-digestion qu’en co-digestion avec un substrat facilement biodégradable. Ces recherches montrent que l’utilisation des LBR est appropriée au contexte agricole et que la modification des paramètres de contrôle permet à ce procédé de répondre efficacement aux problématiques du terrain. Ce travail représente une avancée significative vers la compréhension et le développement des LBRs pour le traitement des résidus agricole et, plus globalement, des énergies renouvelables mobilisant des biomasses agricoles / Anaerobic Digestion (AD) is a process which allows the treatment of organic waste and the production of renewable energy. In particular, dry AD allows the treatment of solid organic substrates, offering several possibilities to the enhancement of agricultural waste such as spent livestock bedding (a mixture of straw, faeces and urine). Among the available biotechnologies in AD, leach-bed reactor (LBRs) is a promising but yet poorly known process both at scientific and industrial level.In order to develop this process, several issues have been studied: (i) the bio-physico-chemical characterization of spent animal bedding and its digestion potential in LBRs; (ii) the optimization of the start-up and the operating temperature of the digesters; (iii) the co-digestion of spent animal bedding with an easily-degradable substrate and the issues connected to the management of the volatile fatty acids (VFAs) produced.The results showed that spent animal bedding is a slowly-degradable substrate which needs a long digestion time. However, it is a substrate suitable to be treated through AD displaying high degradation and methane production rates when processed in LBRs. This substrate is, therefore, a valuable organic resource in the agricultural context.Spent animal bedding was shown to contain an active methanogenic population able to start the process efficiently, both in thermophilic and mesophilic temperature, without requiring a specific external inoculation. An economic study at industrial scale proved that this peculiarity can be used to diminish the investment costs and then promote the development of this process. Moreover, thermophilic temperature was proved to be less advantageous over mesophilic condition. In fact, despite the very close methane yield reached in both temperature range, the different biogas production rates in thermophilic conditions would lead to a reduction of the final electric energy production in this condition. Mesophilic temperature was then shown to be the best operating condition for this process.Finally, the role played by the leachate recirculation in the mobilization of the VFAs accumulating in the solid bulk was highlighted in the case of a reactor co-digesting slowly- (spent livestock bedding) and easily-degradable substrates. A strategy was even proposed to efficiently face such a problem by optimizing both the VFA extraction and consumption with the objectives of increasing the overall process efficiency.In the end, this work allowed to optimize some important parameters for the correct management of the LBRs. This technology was proved to be efficient in the treatment of spent livestock bedding, both as a sole substrate or in co-digestion with an easily-degradable substrate. This research study demonstrates that LBRs is an adapted process for the agricultural context and this technology can easily answer to the full scale issues usually encountered. This work represents a significant advance towards the comprehension and development of LBRs to treat agricultural waste and, more generally, to the development of renewable energies based on biomass

Des additifs pour le traitement des fosses septiques sont proposés sur le marché, dans le but d’améliorer leur fonctionnement. Cependant, leur influence n’a pas été vérifiée. Un projet de recherche a été mis en place afin d’évaluer l’influence des bio-additifs sur la dégradation des boues de fosse septique. L’étude a été menée, à l’échelle du laboratoire, sur trois produits de traitement testés sur six échantillons différents d’effluents de fosses septiques vidangées. Un témoin (sans additif) a servi de référence pour évaluer la dégradation naturelle simulée des boues de fosse septique et la comparer à celle des bio-additifs. Ils ont été incubés à une température de 35°C, pendant une période de dix jours. Afin d’évaluer leur rôle dans le traitement, les paramètres suivants ont été mesurés : solides totaux, solides volatils, demande chimique en oxygène, coliformes fécaux et production de méthane. Ces paramètres ont été mesurés avant le lancement, à la moitié (5 jours) et à la fin de chaque essai. Les analyses statistiques des résultats obtenus (analyse de la variance et test de Dunnett) n’ont pas permis de mettre en lumière une différence significative entre les bio-additifs utilisés et le témoin, à un seuil de confiance de α=0,05. Une partie du projet s’est également concentrée sur la conception de méthodes de mesure du méthane en laboratoire. Les expériences ont été menées en parallèle avec celles menées sur les bio-additifs. Les résultats de l’étude statistique semblent être concluants concernant la fiabilité des mesures faites avec les montages expérimentaux conçus en laboratoire. / Additives for septic tank treatment are available in order to improve their performance. However, their influence has not yet been proven. A research project was initiated to assess the influence of bio-additives on septic tank sludge degradation. The study was conducted at laboratory scale with regard to three treatment products tested on six different effluent samples from emptied septic tanks. A blank (without additive) was used as a reference to assess the natural degradation of septic tank sludge and to compare with the effects of the bio-additives. These samples were incubated at 35°C for ten days. In order to evaluate the bio-additive contribution, the following parameters were measured: total solids, volatile solids, chemical oxygen demand, fecal coliforms and methane production, and that before, halfway and at the end of each test. The statistical analysis of the results (analysis of variance and Dunnett’s test) was inconclusive to highlight a difference between the bio-additives and the reference at a confidence level of 5%. Another part of this project was to design laboratory methods for methane measurement. These tests were conducted at the same time as the bio-additives experiments. The statistical results seem conclusive as to the reliability of the measurements made with the experimental apparatus designed in the laboratory.

A l’instar d’autres pays européens, la France se mobilise actuellement pour la valorisation énergétique de ses déchets agricoles par méthanisation. Néanmoins, la production d’une partie de ces ressources n’est pas constante toute au long de l’année. En conséquence, afin de permettre l'approvisionnement continu des installations de biogaz, elles doivent être conservées parfois pendant de longues périodes (plusieurs mois). Cette thèse porte sur l’optimisation des pratiques de gestion des ressources agricoles avant méthanisation. Différentes conditions de stockage ont été étudiées, en particulier le stockage aérobie ainsi que l’ensilage, dans l’optique de l’amélioration de la conservation du potentiel bio-méthanogène et de l’optimisation de la conversion de la matière organique lors de la méthanisation. Grâce à une méthode expérimentale originale, la caractérisation multiphasique des déchets à différents stades de leur gestion a été mise en œuvre, à la fois sur les compartiments biochimiques et sur la biodisponibilité du carbone pour la méthanisation. Dans une première partie, la préparation et le stockage de cultures intermédiaires à vocation énergétique ont été étudiés au laboratoire. Les résultats obtenus ont permis de démontrer l’avantage majeur de l’ensilage plutôt que le stockage à l’air libre pour la conservation du pouvoir méthanogène. Deuxièmement, des essais de stockage de longue durée ont été réalisés pour des fumiers de bovin. Ces expériences ont permis de mettre en évidence la mauvaise conservation des fumiers et l’intérêt de l’utilisation de co-substrats pour améliorer la performance du stockage en conditions d’ensilage. Afin d’expliquer les mécanismes majeurs qui se produisent au cours de l’ensilage, une approche de modélisation a été utilisée pour synthétiser et interpréter les résultats. Ces travaux de recherche ont permis d’identifier les bonnes pratiques de gestion pour les intrants de méthanisation agricole afin d’optimiser au mieux la conservation des ressources. / Like other European countries, France is currently mobilizing for the energy recovery of its agricultural wastes by anaerobic digestion. Nevertheless, the production of these resources undergoes several fluctuations throughout the year. Consequently, in order to allow the continuous supply of biogas plants, these raw materials must be often stored for long periods (several months). This thesis focuses on the optimization of agricultural wastes management practices before anaerobic digestion. Different storage conditions were studied, notably the open-air storage and ensiling, with the aim of improving the conservation of the biochemical methane potential and optimizing the conversion of organic matter during anaerobic digestion. An original experimental methodology was developed and implemented for the multiphasic characterization of biomass at different stages of its management and storage, including analysis on the different biochemical fractions and bioavailability of carbon for anaerobic digestion. First, this methodology was applied to the preparation and long-term storage of catch crops. This evidenced a major advantage of using ensiling rather than open-air storage for the preservation of biomass and methane potential. Second, long-term storage trials were conducted for cattle manure. These experiments highlighted the poor conservation of manure and the benefits of co-substrates in the improvement of storage performances under ensiling conditions. To explain the major mechanisms that occur during the ensiling process, a modelling approach was used to synthesize and interpret the results. Finally, this research work led to the identification of good conservation practices for the major feedstocks of agricultural biogas plants.

L‘objectif de ce travail est d‘étudier le développement d‘une énergie renouvelable, la méthanisation, comme potentiel vecteur de transformation de l‘activité agricole et de son intégration dans les espaces ruraux en Allemagne. Il s‘agit d‘analyser la dimension spatiale de ce changement social. L‘hypothèse centrale consiste à considérer que les modalités du changement sociotechnique qu‘est la transition énergétique dépendent de la manière dont les acteurs, ici principalement des agriculteurs, se saisissent des possibilités offertes par les objets techniques et les politiques publiques. Ces phénomènes sont ici étudiés dans une enquête structurée par l‘association entre les concepts de multifonctionnalité et de capital territorial, portant sur quatre territoires de projet situés en Allemagne. Les enquêtes deterrain démontrent l‘ambivalence des changements agricoles liés à l‘activité de méthanisation, entre le renforcement de l‘intégration agro-industrielle et celui de l‘ancrage territorial des exploitations agricoles. Elles permettent de dresser une typologie de ces formes d‘hybridation. Il a également pu être démontré que cette ambivalence était fortement liée à l‘évolution des politiques publiques. Cependant, elle est également influencée par les types d‘investisseurs ainsi que par les contextes géographiques, dont les acteurs peuvent mobiliser les caractéristiques (dynamiques récessives ou intégration urbaine des espaces ruraux, héritages territoriaux, rapports localisés à l‘énergie). / This research aims at investigating the connections between energy transitions and agricultural transformations through a comparative research focused on four case studies in Germany. The starting point of this inquiry was the ambivalence of these changes. On the one hand, biogas generation tends to reinforce the socio-economic integration of farms intoagro-industrial value chains. On the other hand, this activity could also strengthen the connections with local stakeholders, for example through the implementation of localised heating networks in neighbouring villages or cities. The first aim of this research is to depict these ambivalent agricultural changes, to identify and evaluate key drivers that shape these processes. The main hypothesis of this work is that not only changes in German policies could explain this ambivalence. The various kinds of investors and the individual farmer‘s aims and needs influence the particular ways in which these changesoccur. Finally, the use of resources bounded to specific contexts contributes to shape these changes, but also generate social inequalities. / Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, die Auswirkungen der Energiegewinnung durch Biogas auf die Landwirtschaft und die ländlichen Räume anhand einer vergleichenden Studie in vier deutschen Untersuchungsgebieten zu untersuchen. Dafür wurden die Konzepte der landwirtschaftlichen Multifunktionalität und des territorial capital in Verbindung mit der multi-level perspective auf den soziotechnischen Wandel verwendet. Dabei wurde zunächst der Trend zu einer Hybridisierung dieses Wandels herausgearbeitet. Biogas kann die produktivistischen Praktiken der Betriebe verstärken, aber auchabschwächen. Die Untersuchung zeigt, dass diese gegenläufigen Entwicklungspfade gleichzeitig in den landwirtschaftlichen Betrieben ablaufen können. Darüber hinaus belegt diese Arbeit, dass die Entwicklung der Gesetzgebung und auch die Art von Investoren (industrielle oder finanzielle Firmen, landwirtschaftliche Betriebsarten) ebenso wie die lokalen Merkmale (Peripherisierungsprozesse bzw. Bevölkerungsrückgang im ländlichen Raum, Formen des territorialen Erbes— „héritage territorial― — oder eine besondere lokale Geschichte in Bezug auf das Thema Energie) diese ambivalenten Entwicklungspfade beeinflussen können, sobald die Akteure die betreffenden Merkmaleund Ressourcen nutzen. Deshalb kann es zur Entstehung von umweltbezogenen sozialen Ungleichheiten kommen.

L’utilisation des microalgues dans les filières bioénergies est une thématique qui connait un développement remarquable ces dernières années. Si dans une perspective d’exploitation de masse, elles permettent de répondre plus favorablement aux contraintes qui pèsent sur l’exploitation des biocarburants de première et de deuxième génération, elles se heurtent également à la question de la demande en éléments nutritifs mais aussi à un bilan énergétique défavorable. En conséquence, il apparait difficile de répondre à une exigence de durabilité attendue pour ce nouveau gisement. Ce travail de thèse s’est intéressé à une solution permettant à la fois de recycler les éléments nutritifs présents dans la biomasse et de fournir de l’énergie au système de production voire de transformation : la digestion anaérobie. Les travaux se sont particulièrement focalisés sur l’intégration de la production de microalgues et de la méthanisation au travers de la conversion énergétique de cette biomasse et de la mobilisation des éléments nutritifs vers la culture à l’échelle du laboratoire et à l’échelle pilote. Après avoir identifié les contraintes associées à la biodégradabilité anaérobie des microalgues et les stratégies d’optimisation, nous avons mis en évidence que le potentiel énergétique est contraint par la qualité propre des cellules et une capacité de résistance à la dégradation biologique. L’application de stratégies d’optimisation de cette étape de conversion via l’utilisation de prétraitement thermique a montré qu’il est possible d’augmenter les rendements de production d’énergie et d’éléments minéraux mobilisables vers la culture. L’utilisation d’un écosystème naturel microalgue-bactérie destiné à la production en milieu ouvert et qui utilise un digestat synthétique comme milieu de culture a révélé le rôle déterminant de la flore bactérienne associée en interaction avec les microalgues. Ces résultats ont été évalués dans un système de production à l’échelle pilote préindustrielle en conditions extérieures, conçu et opéré spécifiquement pour répondre à cette problématique. Les caractéristiques propres du bassin de culture déterminent le comportement hydrodynamique du milieu et le comportement physique et écologique de la population phytoplanctonique mobilisée. L’étude de la dynamique des communautés microbiennes, eucaryotes et procaryotes, confirme le potentiel de résilience et de production d’un écosystème complexe soumis aux contraintes de son environnement. Les résultats de ces travaux ouvrent des perspectives de gestion et d’optimisation des procédés intégrant l’algoculture et la méthanisation qui peuvent répondre plus largement à des problématiques environnementales et de production de molécules d’intérêt au-delà des filières énergétiques. / In recent years, there has been an explosion of interest in the use of microalgae as a source of bioenergy. Mass cultivation of microalgae for bioenergy production promises several advantages compared to first and second generation biofuels. However, similar difficulties in terms of nutrient requirements and an unfavourable energy balance are faced. As a consequence, achieving the sustainable levels of microalgal culture required to implement this strategy in the longer term appears problematic. The work presented in this thesis focuses on anaerobic digestion; a solution which allows both recycling of nutrients and supply of energy to the production and downstream processes. In particular, the studies presented here have been directed towards the integration of microalgal culture and methanisation, at both the laboratory and pilot scale. The guiding principle used is conversion of biomass and provision of nutrients to the culture. We first identified the constraints and potential strategies associated with the aerobic biodegradability of microalgae. Next, we demonstrated that the energetic potential of cells is limited by their quality as well as their level of resistance to biological degradation. We have shown that it is possible to optimise the conversion step, increasing energy yields and nutrient mineralisation via a strategy of thermal pretreatment The use of a natural microalgae-bacteria ecosystem which uses a synthetic digestate as culture media, revealed a key role for bacterial flora interacting with microalgae. These results were further tested in a pilot-level production system specifically designed to address these questions. The evidence suggests that the characteristics of the culture pond determine both the hydrodynamic behaviour of the culture and the physical and ecological behaviour of the phytoplanktonic population. A study of the dynamics of the microbial, eukaryotic and prokaryotic communities suggests the presence of a resilient and complex ecosystem, which is influenced by variations in its environment. The results of this work provide opportunities for management and optimisation of processes integrating microalgae cultivation and methanisation beyond bioenergy production, for example liquid wastes treatment and production of high-value byproducts.

Notre société évolue constamment et se positionne vis-à-vis du monde qui l’entoure. Cette évolution la pousse à se réorganiser atour d’énergie provenant de source locale et renouvelable. Pour ces raisons, il semble pertinent de concevoir une évolution possible de la méthanisation par des unités localisées. On parle alors de micro-méthanisation à l’échelle urbaine. La rédaction de cette thèse a ainsi eu pour objectif d’apporter des éléments de réponse quant à la question de la faisabilité d’intégrée cette micro-méthanisation dans des quartiers. Pour cela, il a été réalisé : i) Une analyse des retours d’expérience issus de villes porteuses de projet de méthanisation urbaine. ii) Une approche expérimentale, dans le but d’obtenir un processus de méthanisation des déchets urbains à l’échelle laboratoire. iii) Ces données d’entrée ont ensuite permis l’établissement d’un modèle de valorisation des déchets dans un quartier. Ces résultats mettent en avant la nécessité d’une approche systémique afin de pouvoir intégrer la méthanisation dans un quartier. Ils permettent de plus, de recommander l’utilisation de certains procédés et l’emploie de déchets, afin d’améliorer la mise en œuvre du processus dans l’espace urbain. Dans des conditions définies la méthanisation urbains est possible et stable dans le temps. De plus, le bilan énergétique s’avère bénéfique pour le quartier. On note que l’énergie ainsi produite, l’est majoritairement sous forme de chaleur ce qui met en avant l’intérêt d’un processus intégré, proche des habitations. / Our society is constantly evolving and positioning itself in relation to the world around it. This evolution pushes it to reorganize itself around energy from local and more renewable sources. For these reasons, it seems appropriate to design a possible evolution of anaerobic digestion (AD) by localized units. This is referred to a micro-AD at urban scale. The purpose of this thesis was to provide some answers to the question of the feasibility of integrating this micro-AD into a neighbourhood.To this end, it was carried out: i) An analysis of feedback from cities with urban AD projects. ii) An experimental approach, with the aim of obtaining a stable AD process of urban waste atlaboratory scale. iii) These input data then made it possible to establish a waste recovery model in a district. These results highlight the need for a systemic approach in order to be able to integrate AD in a neighbourhood. They also make it possible to recommend processes and wastes, in order to improve the implementation of the process in urban areas. Under defined conditions, urban AD is possible and stable over time. In addition, the energy balance is beneficial for the district. It should be noted that the energy thus produced is mainly in the form of heat, which highlights the importance of an integrated process, close to homes.

Rhéologie des résidus agricoles pour un procédé de méthanisation par voie sèche multi-étapes.Le procédé Arkométha® utilise à profit l’injection de biogaz pour mélanger les résidus agricoles (fumier, lisier, ensilage, etc…) lors d’un procédé de méthanisation en voie sèche dans lequel la matière est épaisse. La connaissance des propriétés rhéologiques de ces matériaux, rarement étudiés dans la littérature, notamment à l’échelle industrielle, est un élément indispensable pour maitriser et contrôler le processus de mélange. Cette thèse a pour objectif de développer la compréhension des évolutions physiques et rhéologiques de ces matériaux lors de la méthanisation. La revue bibliographique détaillée dans le deuxième chapitre, a montré la nécessité de disposer d’un rhéomètre capable de mesurer les propriétés rhéologiques de ces produits à l’échelle industrielle. Pour cela, un cahier de charge a été établi à partir des contraintes scientifiques et techniques imposées par ces matériaux considérés comme des suspensions concentrées en fibres de dimensions importantes. Sur cette base, un rhéomètre de grandes dimensions pour les substrats, nommé RGDS, a été construit, validé et mis en service sur site industriel. La technique de scissométrie était utilisée pour mesurer le seuil d’écoulement et des pales type mélangeur, étalonnées en utilisant l’analogie de Couette, permettent de mesurer les propriétés sous écoulement. Dans le troisième chapitre nous avons montré la limite de l’utilisation du taux de matière sèche (MS%) traditionnellement utilisé comme un paramètre contrôlant la rhéologie, comme par exemple, le seuil d’écoulement de ces matériaux. Nous avons montré qu’il est plus pertinent de maitriser la répartition de l’eau dans la suspension pour contrôler les propriétés rhéologiques en prenant en compte le caractère spongieux de la matière lignocellulosique. Nous avons montré comment déterminer les concentrations critiques qui séparent les régimes semi-concentré, concentré, milieu triphasique non saturé en liquide jusqu’à un milieu granulaire humide et leurs relations avec le seuil d’écoulement. Dans le quatrième chapitre nous avons étudié l’effet de l’évolution des paramètres opératoires du procédé de méthanisation comme la taille des fibres, la température et le taux de matière sèche sur les propriétés rhéologiques des matériaux. Plusieurs modèles et lois ont été proposés pour quantifier l’intérêt d’effectuer des modifications des paramètres opératoires sur la rhéologie de ces matériaux. / The Arkometha® process uses biogas injections to mix agricultural residues (manure, slurry, silage, straw) in a dry anaerobic digestion process. Knowledge of the rheological properties of these materials, rarely studied in the literature, and especially not on an industrial scale, is an essential element to supervise and control the mixing process. This thesis aims to improve the understanding of the physical and rheological evolutions of these materials along the anaerobic digestion process. The literature showed the need for a rheometer able to measure the rheological properties of these products at the industrial scale. For this purpose, specifications were established based on the scientific and technical constraints imposed by these materials, which are considered as fiber concentrated suspensions. On this basis, a large rheometer for substrates, called RGDS for (Rheometer Grand Dimensions for the Substrate), was built, validated and commissioned on an industrial site. The van test technique was used to measure the yield stress and mixer blades, calibrated using the Couette analogy, were used to measure shear stresses. In the third chapter we have shown the utilization limits of the total solids (TS%), traditionally used as the main parameter for rheology controlling. In this chapter we treated the yield stress of these materials as a rheological parameter example. We have shown that it is more appropriate to control the water distribution in order to control the rheological properties of theses suspensions by taking into account the spongy nature of the lignocellulosic material. We have shown how to determine the critical concentrations separating the semi-concentrated, concentrated, triphasic and the wet granular behaviors and their relationship with yield stress. In the fourth chapter, we studied the effect of changes in the anaerobic digestion operating parameters, such as fiber size, temperature and TS on the rheological properties of materials. Several models and empirical equations have been proposed to quantify the advantage of making changes in the operating parameters on the rheology of these materials.