Ce travail de thèse présente l'optimisation d'une technologie de valorisation énergétique qui utilise des résidus agricoles pour la production d'énergies renouvelables, tout en réduisant les émissions mondiales de méthane et en garantissant la sécurité alimentaire. Des digesteurs anaérobies à l'échelle laboratoire, pilote et industrielle ont été évalués afin d'améliorer la production de méthane à partir de la digestion anaérobie de la paille de riz non traitée dans des conditions sèches en utilisant une approche nouvelle de co-digestion. Une installation de production biogaz à l'échelle d'une ferme chargée de paille de riz et d'eaux usées produites par une porcherie génère 295 MWh dans un cycle de digestion 422 jours. La période d'acclimatation relativement longue (environ 200 jours) et le faible rendement en biogaz (181 LCH4/kg MVS) pourraient être améliorées en ajoutant des boues anaérobies issues d'un procédé de traitement d'effluents de l'industrie papetière. Au laboratoire, l'ajout de la boue conduit à un rendement de méthane spécifique de 335 LCH4/kgMVS dans les 92 jours. L'hydrolyse de la paille a été accélérée, et des conditions stables ont été observées en termes de pH, d'alcalinité et de nutriments. Des améliorations similaires ont été démontrés dans des digesteurs à l'échelle pilote (1 m3) - un rendement de méthane spécifique de 231 LCH4/kgMVS a été obtenu dans un cycle de digestion à 93 jours avec de la boue comparativement à 189 jours sans la boue. Un mélange insuffisant dans le système à l'échelle pilote a causé des rendements de production de méthane inférieurs à ceux obtenus dans les digesteurs l'échelle du laboratoire. Si les conditions mésophiles et de mélange suffisantes sont maintenues dans le système à l'échelle industrielle, la co-digestion de la paille de riz avec des eaux usées produites par une porcherie et des boues issues d'un procédé de traitement d'effluent de l'industrie papetière (rapport poids humide de 1:1.25:0.5) a le potentiel de réduire le temps de rétention à trois mois (contre 422 jours) et d'augmenter les rendements de production de méthane à plus de 300 LCH4/kgMVS / The research describes an optimized waste-to-energy technology that utilizes agricultural residues for renewable energy, while reducing global methane emissions and maintaining food security. Laboratory-, pilot- and farm-scale anaerobic batch digesters were evaluated to enhance methane production from the anaerobic digestion of untreated rice straw in dry conditions using a novel co-digestion approach. An existing farm-scale biogas plant loaded with rice straw and piggery wastewater produced 295 MWh in a 422-day digestion cycle. The long acclimation period (approximately 200 days) and low biogas yield (181 LCH4/kgVS) could be enhanced by adding anaerobic sludge from the pulp and paper mill treatment process. In a laboratory setting, the addition of the sludge resulted in a specific methane yield of 335 LCH4/kgVS within 92 days. Hydrolysis of the straw was accelerated, and stable conditions were observed in terms of pH, alkalinity and nutrients. Similar improvements were demonstrated in pilot-scale digesters (1 m3) – a specific methane yield of 231 LCH4/kgVS was achieved in a 93-day digestion cycle with the sludge compared to 189 days without the sludge. Insufficient mixing within the pilot-scale system caused lower overall methane yields than those obtained in the laboratory-scale digesters. If sufficient mixing and mesophilic conditions are maintained within the farm-scale system, the co-digestion of rice straw with pig wastewater and paper mill sludge (wet weight ratio of 1:1.25:0.5) has the potential to reduce the retention time to three months (versus 422 days) and increase methane yields to over 300 LCH4/kgVS

Beaucoup de micropolluants organiques sont présents dans les boues. Leur possible impact sur l'environnement contribue à accroître leur intérêt scientifique et social. La digestion anaérobie présente un potentiel certain pour dégrader ces composés. Dans ce travail, il a été développé un modèle dynamique pour décrire le devenir de micropolluants hydrophobes au cours de la digestion anaérobie de boues contaminées. Le modèle est basé sur une distribution des composés dans quatre-compartiments et il a démontré que la transformation des micropolluants est bien simulée si l'on considère une cinétique de co-métabolisme pour la dégradation et si la phase aqueuse constitue le compartiment biodisponible. Dans ce modèle, la sorption des micropolluants hydrophobes est envisagée sur deux phases différentes: la matière particulaire et la matière dissoute/colloïdale (DCM), car la sorption sur le compartiment DCM peut influencer la disponibilité des composés et donc leur biodégradation. Il a été conclu que le transfert de micropolluants hydrophobe ne limite pas leur biodégradation, et que leur devenir est régi par l'état d'équilibre de sorption-désorption. Afin d'identifier quelle(s) étape(s) de la digestion permet le co-métabolisme, de nouvelles expérimentations ont été menées en utilisant des inhibiteurs des Méthanogènes. Elles suggèrent que la dégradation anaérobie des micropolluants implique principalement des microorganismes non-méthanogènes. En effet, la transformation co-métabolique des micropolluants serait principalement liée à la population acidogènes, comme le montre le modèle avancé proposé. Le modèle proposé est potentiellement utile pour mieux comprendre la distribution des micropolluants, prédire leur devenir dans des conditions anaérobies et aider à optimiser le processus de fonctionnement pour leur épuisement. / Many organic micropollutants are present in sludge. Their possible impact on the environment contributes to their increasing scientific and social interest. Anaerobic digestion has been shown as a potential biological process for removing these compounds. In this work, a dynamical fate model is developed for hydrophobic micropollutant under anaerobic digestion of contaminated sludge. The model is based on a four-compartment distribution and demonstrated that the micropollutant transformation is well simulated if considering a co-metabolic kinetic and the aqueous phase as the bioavailable compartment. In this model, the sorption of hydrophobic micropollutants is considered on two different phases: particulate matter and dissolved/colloidal matter (DCM). Indeed, the sorption onto DCM can influence the availability of compounds for biodegradation. It was concluded that hydrophobic micropollutant transfer does not limit their biodegradation, and that their fate is governed by sorption-desorption equilibrium state. In order to evaluate which step of the anaerobic pathway is implied in the co-metabolism of micropollutants, experimental set-ups were designed using different way to inhibit the Methanogens. The experimental inhibition of methanogenic activity suggests that the anaerobic degradation of micropollutants mainly involves non-methanogenic microorganisms. Indeed, the co-metabolic transformation of micropollutants would be mainly linked to acidogens population as it was shown through the proposed advanced model. This latter is potentially useful to better understand the micropollutant distribution, predict their fate under anaerobic condition and help to optimize the operation process for their depletion.