Les bioréacteurs à membranes (BRM), combinant l’épuration biologique des eaux usées à une étape de séparation membranaire, ont montré de très bonnes performances en matière d’élimination de la pollution organique et azotée. Cependant, cette technologie présente des surcoûts de fonctionnement liés essentiellement à l’énergie dépensée pour fournir l’aération nécessaire à l’activité biologique mais utilisée aussi pour lutter contre les phénomènes de colmatage membranaire. Afin de réduire ces besoins énergétiques, un BRM dit autotrophe a été mis en place. Il est caractérisé par une alimentation à une charge organique faible, dont plus de 60% est éliminé par un traitement physico-chimique préalable. De ce fait, le BRM autotrophe assure principalement le traitement d’azote, qui peut être affecté par la limitation en carbone organique nécessaire à la réaction de dénitrification. Ce travail a pour objectif d’étudier le comportement d’un tel système et d’identifier les paramètres déterminants. L’étude a été conduite expérimentalement et par modélisation. Deux campagnes expérimentales ont été réalisées en régime permanent à des charges organiques et des âges de boues différents, suivies d’une expérimentation en régime transitoire provoqué par une montée de la charge en azote ammoniacal. Les résultats des campagnes ont montré qu’il est possible de baisser le rapport de DCO/N jusqu’à 4,5 et l’âge des boues à 40j sans pour autant perturber la dénitrification. Ces résultats ont été appuyés par une modélisation dynamique s’appuyant sur un modèle ASM3s-SMP qui a été développé ensuite calibré sur l’ensemble des résultats expérimentaux. L’analyse du phénomène du colmatage de la membrane au cours de l’expérimentation a montré une tendance au colmatage relativement faible par rapport aux BRM opérant dans des conditions usuelles (DCO/N>10). L’effet du nettoyage mécanique induit par l’ajout d’un matériau granulaire dans le module membranaire s’est avéré peu important dans les conditions étudiées. Une modélisation en régime permanent a permis de développer les expressions des grandeurs caractéristiques du fonctionnement du BRM. Après avoir été validées par des simulations conduites en utilisant le logiciel GPS-X®Hydromantis, ces équations ont permis, au moyen d’approches de modélisation différentes (modèle simple, ASM1 et ASM3), de repérer les paramètres opératoires et cinétiques les plus influents et de déterminer par des expressions analytiques le rapport DCO/N minimal requis pour une réaction de dénitrification complète. / Membrane Bioreactors (MBR) as a combination of biological wastewater treatment and a membrane separation step, showed high performances for organic and nitrogen compounds removal. However, this technology has high running costs linked to energy consumption for aeration. The latter has to be provided for the biological activity and for the membrane scouring that reduces membrane fouling phenomena. In order to decrease these expenses, an MBR called autotrophic was set. It is marked by low organic loading rates due to a physicochemical treatment removing more than 60% of the initial organic matter amount. Mainly, the autotrophic MBR is dedicated to nitrogen removal that can be influenced by the shortage of the organic substrate, needed to achieve the denitrification process. The aim of this work is the investigation of the behavior of such system and the identification of most determining parameters. Experimental and modeling studies were carried out. Two steady state experimental campaigns were performed at different organic loading rates and solid retention times. They were followed by an experiment at transient state induced by the nitrogen loading rate rise. Obtained results proved that operation at a COD/N ratio as low as 4.5 did not hamper the denitrification efficiency. Those results were reinforced by a dynamic modeling study based on a model called ASM3s-SMP that was developed and calibrated using the experimental results. Membrane fouling analysis during experimental campaigns showed low fouling propensities compared to MBR operating at more common conditions (COD/N>10). The mechanical cleaning effect due to the addition of a granular material to the membrane module was found insignificant in the case of these operating conditions.A steady state modeling study helped determining mathematical expressions of different variables, yields and rates describing the system operation. After a validation step based on simulations with the use of the GPS-X®Hydromantis software, these expressions associated to different modeling approaches (simple model, ASM1 and ASM3) allowed pointing out the critical operating and kinetic criteria in addition to the minimum COD/N ratio required for a complete denitrification reaction.

Ce travail de thèse a été consacré à l'étude des noyaux avec quelques trous dans la fermeture de couche N = 82, qui présente une très riche variété d'excitations à hauts spins. La particularité de ces noyaux est la présence de coexistence de forme (sphérique et/ou triaxiale) à des spins très élevés. Durant ma thèse, j’ai analysé une expérience effectuée avec le multidétecteur Euroball à l’IPHC (Strasbourg) pour l'étude des états de haut spin dans le noyau ¹⁴¹Nd, peuplé en utilisant la réaction de fusion-évaporation : ⁹⁶Zr (⁴⁸Ca, 3n). Nous avons identifié plusieurs bandes à spin élevé et développé le schéma de niveaux jusqu'à une énergie d'excitation et spin de l’ordre de 19 MeV et 81/2⁻ respectivement, qui sont bien plus élevés par rapport à celui publié précédemment (9.4 MeV et 49/2h). Trois nouvelles bandes dipôlaires et trois nouvelles bandes rotationnelles quadrupolaires ont été identifiées. La séquence principale yrast a aussi été étendue jusqu’au spin 61/2⁻.Nous avons réalisé des calculs théoriques détaillés des bandes observées, en intégrant, pour la première fois, les résultats qu’on a obtenus par les modèles Cranked Nilsson-Strutinsky (CNS) et Tilted Axis Cranking (TAC). Une interprétation cohérente de la plupart des bandes observées a été réalisée, qui semblent être basées sur des minimas d’énergies presque sphérique pour les séquences principales, légèrement déformée pour les bandes dipoalires et triaxiale déformée pour les bandes quadrupolaires. La structure de niveau observée dans le noyau ¹⁴¹Nd révèle la capacité des noyaux avec quelques trous dans la fermeture de couche N = 82 à acquérir des formes différentes de tourner autour d'un axe principal ou d'un axe incliné par rapport au système de référence intrinsèque, comme dans le cas des noyaux ¹³⁸Nd et ¹⁴⁰Nd récemment étudiés par notre groupe. Tous ces résultats représentent donc un fort soutien à l'existence de la forme nucléaire triaxiale stable à hauts spins dans cette région de masse. / This PhD work was devoted to the study of exotic nuclear rotation and stable triaxiality at very high spin. In, nuclei with a few holes in the N = 82 shell closure, which exhibit a large variety of excitations at medium and high spins. The peculiar feature of these nuclei is the existence of coexisting shapes, spherical and triaxial, up to very high spins.During my PhD I analyzed an experiment performed with the Euroball multidetector at IPHC (Strasbourg) for the study of high-spin states in ¹⁴¹Nd populated using the ⁹⁶Zr (⁴⁸Ca, 3n) fusion-evaporation reaction. We have identified several high-spin bands and developed the level scheme up to an excitation energy and spin of 19 MeV and 81/2⁻ , respectively, which are much higher than previously published (9.4 MeV and 49⁄2 ℏ). Three new dipole bands and three new ΔI = 2 rotational bands have been identified. The main yrast sequence was extended up to spin 61/2⁻.A detailed interpretation of the observed bands was performed, for the first time, using theoretical calculations with Cranked Nilsson-Strutinsky (CNS) and the Tilted Axis Cranking (TAC) models. A consistent interpretation of most of the observed bands was realized. They appear to be based on nearly spherical for the main sequence, slightly deformed for the dipole bands and triaxially deformed minima for the ΔI = 2 bands. The observed level structure of ¹⁴¹Nd reveals the capability of the nuclei with a few holes in the N = 82 shell closure to acquire different shapes and to rotate around a principal or a tilted axis relative to the intrinsic reference system, as in the case of the ¹³⁸Nd and ¹⁴⁰Nd nuclei recently studied by our group.

L'existence de noyaux triaxiaux a fait l'objet d'un débat de longue date. La possibilité de la triaxialité mole et rigide a été proposée très tôt, et de nombreuses études théoriques et expérimentales ont été consacrées à ce phénomène intrigant. Plus récemment, deux marqueurs uniques de la triaxialité dans les noyaux ont été intensivement étudiés : le mouvement d'oscillation de l'axe de rotation (wobbling) et la chiralité dynamique. Ces types exotiques de mouvement ont été observées dans des régions spécifiques du tableau nucléaire : le mouvement d'oscillation dans les noyaux de Lu impair-pair avec A ~ 160, la chiralité principalement dans les noyaux impair-impair et pair-impair avec A ~ 130. Nous avons récemment étudié les noyaux de Nd à très hauts spins et identifié plusieurs bandes, qui ont été interprétées comme la manifestation de divers types de mouvement collectif : rotation suivant un axe incliné, rotation suivant les axes longs et courts, mouvement de wobbling et bandes chirales. Un autre phénomène révélé par nos résultats récents sur les noyaux de Nd avec seulement quelques trous neutroniques par rapport à la fermeture de couche N = 82, est la coexistence de forme. En effet, ces noyaux sont prévus pour avoir des isomères de hauts spins construis sur une forme sphérique, coexistant avec des bandes triaxiales, ou des formes très voire super-déformées . Ma thèse se compose de deux expériences. Tout d'abord, j'ai préparé, exécuté et analysé une expérience réalisée au " Research Center of Nuclear Physics " (RCNP) de l' Université d'Osaka . Cette expérience visait à étudier les isomères de hauts spins et à développer les schémas de niveaux des noyaux de 135La, 136La et 136Ba. Nous avons utilisé un faisceau radioactif de 17N de 80 MeV créé par la réaction directe de 18O sur une cible 9Be et sélectionné à l'aide d'un spectromètre achromatique. Le faisceau radioactif de 17N bombardait une cible de 124Sn de 20 mg/cm2 d'épaisseur pour produire les noyaux d'intérêt par une réaction de fusion-évaporation. Cette thèse présente les résultats obtenus pour le 135La, qui comprennent la construction et la discussion du schéma de niveau et la mesure de la durée de vie de deux isomères connus. La deuxième partie de la thèse consiste en l'analyse de deux expériences différentes réalisée en utilisant la même combinaison de faisceau-cible 48Ca + 96Zr à une énergie légèrement différentes et deux dispositifs expérimentaux différents, EUROBALL et JUROGAM II + RITU + GREAT, pour étudier les isotopes du néodyme de 138Nd à 141Nd. Mon travail a été axé sur les noyaux pair-pair de 138Nd et 140Nd, avec un accent particulier sur le 140Nd. La multitude de bandes de spin élevé observées dans ce noyau sont discutées dans le cadre du modèle " Cranked Nilsson - Strutinsky " (CNS) et du modèle " Tilted Axis Cranking " (TAC). Les bandes de hauts spins observées dans les noyaux de 138-141Nd sont toutes interprétées comme basées sur un minimum d'énergie associé à une déformation triaxiale. Elles représentent donc un fort soutien à l'existence de la forme nucléaire triaxiale stable à hauts spins. L'isomère de haut spin 27- a également été identifié dans le 140Nd qui, combinée avec l'isomère 20+ précédemment connu dans le même noyau va permettre d'extraire pour la première fois une valeur expérimentale de la différence d'énergie entre les orbitales πh11/2 et π(d5/2g7/2) à hauts spins.

L'existence de noyaux triaxiaux a fait l'objet d'un débat de longue date. La possibilité de la triaxialité mole et rigide a été proposée très tôt, et de nombreuses études théoriques et expérimentales ont été consacrées à ce phénomène intrigant. Plus récemment, deux marqueurs uniques de la triaxialité dans les noyaux ont été intensivement étudiés : le mouvement d'oscillation de l'axe de rotation (wobbling) et la chiralité dynamique. Ces types exotiques de mouvement ont été observées dans des régions spécifiques du tableau nucléaire : le mouvement d'oscillation dans les noyaux de Lu impair-pair avec A ~ 160, la chiralité principalement dans les noyaux impair-impair et pair-impair avec A ~ 130. Nous avons récemment étudié les noyaux de Nd à très hauts spins et identifié plusieurs bandes, qui ont été interprétées comme la manifestation de divers types de mouvement collectif : rotation suivant un axe incliné, rotation suivant les axes longs et courts, mouvement de wobbling et bandes chirales. Un autre phénomène révélé par nos résultats récents sur les noyaux de Nd avec seulement quelques trous neutroniques par rapport à la fermeture de couche N = 82, est la coexistence de forme. En effet, ces noyaux sont prévus pour avoir des isomères de hauts spins construis sur une forme sphérique, coexistant avec des bandes triaxiales, ou des formes très voire super-déformées . Ma thèse se compose de deux expériences. Tout d'abord, j'ai préparé, exécuté et analysé une expérience réalisée au « Research Center of Nuclear Physics » (RCNP) de l' Université d'Osaka . Cette expérience visait à étudier les isomères de hauts spins et à développer les schémas de niveaux des noyaux de 135La, 136La et 136Ba. Nous avons utilisé un faisceau radioactif de 17N de 80 MeV créé par la réaction directe de 18O sur une cible 9Be et sélectionné à l'aide d'un spectromètre achromatique. Le faisceau radioactif de 17N bombardait une cible de 124Sn de 20 mg/cm2 d'épaisseur pour produire les noyaux d'intérêt par une réaction de fusion-évaporation. Cette thèse présente les résultats obtenus pour le 135La, qui comprennent la construction et la discussion du schéma de niveau et la mesure de la durée de vie de deux isomères connus. La deuxième partie de la thèse consiste en l'analyse de deux expériences différentes réalisée en utilisant la même combinaison de faisceau-cible 48Ca + 96Zr à une énergie légèrement différentes et deux dispositifs expérimentaux différents, EUROBALL et JUROGAM II + RITU + GREAT, pour étudier les isotopes du néodyme de 138Nd à 141Nd. Mon travail a été axé sur les noyaux pair-pair de 138Nd et 140Nd, avec un accent particulier sur le 140Nd. La multitude de bandes de spin élevé observées dans ce noyau sont discutées dans le cadre du modèle « Cranked Nilsson - Strutinsky » (CNS) et du modèle « Tilted Axis Cranking » (TAC). Les bandes de hauts spins observées dans les noyaux de 138-141Nd sont toutes interprétées comme basées sur un minimum d'énergie associé à une déformation triaxiale. Elles représentent donc un fort soutien à l'existence de la forme nucléaire triaxiale stable à hauts spins. L'isomère de haut spin 27– a également été identifié dans le 140Nd qui, combinée avec l'isomère 20+ précédemment connu dans le même noyau va permettre d'extraire pour la première fois une valeur expérimentale de la différence d'énergie entre les orbitales πh11/2 et π(d5/2g7/2) à hauts spins. / The existence of triaxial nuclei has been the subject of a long standing debate. The possibility of soft and rigid triaxiality has been proposed very early, and many theoretical and experimental studies have been devoted to this intriguing phenomenon since then. More recently two unique fingerprints of triaxiality in nuclei have been intensively studied : the wobbling motion and the dynamic chirality. These exotic types of motion were observed in specific regions of the nuclear chart : the wobbling motion in the odd-even Lu nuclei with A ∼ 160, the chirality primarily in the odd-odd and odd-even nuclei with A ∼ 130 nuclei. We have recently studied the Nd nuclei up to very high spins and identified several bands, which were interpreted as the manifestation of various types of collective motion : tilted axis rotation, principal axis rotation along the short and long axes, wobbling motion and chiral bands. Another phenomenon revealed by our recent results on the Nd nuclei with neutron numbers just below the N=82 shell closure, is the shape coexistence. In fact, these nuclei are predicted to have high-spin seniority isomers built on a spherical shape, coexisting with bands built on either triaxial, highly or even superdeformed shapes.My PhD consists of two experiments. Firstly I have prepared, performed and analysed an experiment realized at the Research Center of Nuclear Physics (RCNP) of the Osaka University. This experiment was performed to study the isomeric states and to develop the level schemes of the 135La, 136La and 136Ba nuclei. We have used a radioactive 17N beam of 80 MeV created by the stripping reaction of 18O on a 9Be target and selected using an achromatic spectrometer. The 17N radioactive beam bombarded a 20 mg/cm2 124Sn target to produce the nuclei of interest by a fusion-evaporation reaction. The present thesis presents the results obtained for 135La, which include the construction and discussion of the level scheme and the measurement of the lifetime of two known isomers. The second part of the thesis consists in the analysis of two different experiments performed using the same beam-target combination 48Ca + 96Zr at slightly different beam energies and two different settups, EUROBALL and JUROGAM II + RITU + GREAT, to study the neodymium isotopes from 138Nd to 141Nd. My work was focused on the even-even 138Nd and 140Nd nuclei, with special emphasis on 140Nd, which is discussed in the present thesis. The multitude of high-spin bands observed in this nucleus are discussed in the framework of Cranked Nilsson-Strutinsky (CNS) and Tilted Axis Cranking (TAC) models. The observed high-spin bands in 138−141Nd which are consistently interpreted as based on an energy minimum at triaxial deformation, represent a strong support for the existence of stable triaxial nuclear shapes at high spins. A 27– high-spin isomer has also been identified in 140Nd, which combined with the previous known 20+ isomer in the same nucleus allow to extract for the first time an experimental value for the energy difference between the πh11/2 and π(d5/2g7/2) orbitals at high spins.