Dans les environnements côtiers, soumis à l’impact des marées noires, les microorganismes jouent un rôle crucial dans le devenir des hydrocarbures pétroliers. Toutefois, de nombreux facteurs influencent les activités microbiennes, notamment par les organismes bioturbateurs qui modifient la pénétration de l’oxygène dans les sédiments. Le travail de la thèse vise à mieux comprendre l’impact d’une pollution pétrolière sur les communautés microbiennes dans des sédiments bio turbés. Il s’agissait de comparer les remaniements structuraux de la communauté microbienne liée à la contamination pétrolière dans des sédiments présentant une faible et une forte activité de bioturbation. Des sédiments marins ont été maintenus en microcosmes durant 9 mois et soumis à quatre conditions : (i) pas de traitement (contrôle), (ii) pétrole, (iii) bioturbation et (iv) pétrole et bioturbation. Les efficacités de dégradation des hydrocarbures pétroliers se sont révélées similaires dans les deux types de sédiments. Par des approches moléculaires, la diversité taxonomique et fonctionnelle des communautés microbiennes totales et métaboliquement actives a été évaluée au cours du temps. Les communautés microbiennes ont subi d’importants remaniements structuraux spécifiques à chaque traitement. Nous suggérons que le fonctionnement global de la communauté est modifié par l’activité bioturbatrice sans pour autant modifier l’activité de dégradation. Ces travaux ont mis en évidence une redondance fonctionnelle de l’activité de biodégradation des hydrocarbures pétroliers des communautés microbiennes. L’isolement de communautés hydrocarbonoclastes a permis de confirmer cette redondance fonctionnelle. / Coastal areas such as mudflats are affected by oil spills. In these environments, microorganisms play a crucial role in the fate of petroleum hydrocarbons. However, many factors influence microbial activities, especially the bioturbating organisms, which altered the oxygen penetration in sediments. The present work attempts to better understand the impact of petroleum contamination on microbial community associated with petroleum contamination in sediments with low and high bioturbation activity. This study is based on microcosm experiments with a device simulating tidal cycles. Marine sediments were maintained for 9 months in microcosms and subjected to four conditions: (i) no treatment (control), (ii) oil, (iii) bioturbation and (iv) oil and bioturbation. Chemical, microbiological and biological analyses were conducted throughout the experiment. The efficiencies of degradation of petroleum hydrocarbons were similar in both sediments. By molecular approaches, we assessed the dynamic of the functional and taxonomic diversity of the total and metabolically active communities during the oil contamination. Microbial communities showed significant structural rearrangements specific for each treatment that resulted in distinct microbial communities in both sediments. Hence, the overall microbial community structure was changed by bioturbating activity without changing the degradation capacity revealing a functional redundancy of the biodegradation capacity of hydrocarbons. This result was further supported by the isolation and characterization of hydro carbonoclastic communities.

L’objectif de ce travail était de valider une méthode simple permettant de déterminer la sollicitation des métabolismes aérobie et anaérobie en cours d’activité en prenant l’exemple du tennis. Son principe général est de séquencer l’activité globale composite en sous-activités appelées activités fondamentales AF et de déterminer pour chacune d’entre elles la consigne énergétique DEc(i) afin de modéliser l’adaptation des filières énergétiques grâce au modèle bioénergétique Astrabio©. Des étalonnages permettent d’obtenir les fonctions d’astreinte qui relient DEc(i) à un paramètre mécanique M pertinent, vitesse de déplacement ou cadence de coups, pour les 6 AF sélectionnées au tennis. Une méthode d’analyse vidéo simple utilisant une seule caméra est appliquée lors des matchs de tennis pour déterminer les AF et estimer M. Ces paramètres sont introduits dans le modèle Astrabio© qui détermine la DEc(i) de chaque AF, DE aérobie et DE anaérobie par différence. Les quantités d’énergie aérobie prédites à chaque jeu des matchs ne présentent pas de différence statistique avec celles réellement mesurées par la méthode d’analyse directe de DE (K4b2). Elle met en évidence qu’en dépit d’une DE aérobie moyenne assez faible comprise entre 40% et 60% VO2max, le tennis se caractérise en réalité par des efforts supra-maximaux pouvant atteindre 300% VO2max lors des frappes de balle et le métabolisme anaérobie représente environ 30% de l’énergie totale dépensée sur un match. Cette méthode présente l’intérêt majeur d’être facilement applicable et de décrire l’astreinte réelle d’une activité en fournissant une estimation des DE aérobie et anaérobie à partir de l’analyse vidéo de l’activité / The aim of this study was to present a simple method to access the aerobic and anaerobic components of energy expenditure during activities as tennis. The principle consists in dividing the exercise into several fundamental activities (FA) based on a video recording and to estimate the metabolic power (MP) of each FA, the aerobic energy expenditure (EEO2mod) and the anaerobic energy expenditure thanks to the Astrabio© model. Six FA are selected and each FA is described by a “strain function” connecting MP to the selected pertinent mechanical variable M (speed running V and events frequency ω). The video analysis is used to determine FA, V and ω during tennis match. The parameters V and ω are introduced in the Astrabio© model to calculate MP of each FA. Then, this model calculated the aerobic energy expenditure (EEO2mod) in terms of MP and the anaerobic energy expenditures was calculated by substracting this (EEO2mod). There was no significant difference between calculated and measured oxygen consumptions (p<0.05). This method shows that even when the aerobic EE average is quite low and nearing 50% of VO2max, the total energy expenditure of a point can reach up 2 or 3 times the VO2max of the subjects during points and strokes. In tennis anaerobic metabolism can account for around 30% of the total energy expenditure per game, and almost 70% during points. The interest of this method is to provide a good estimation of aerobic and anaerobic energy expenditures thanks to a simple video analysis. This method presents the advantage that it is easy to apply and requires only simple and inexpensive equipment: a camera, a computer, and a tracking software

Le bassin de la Garonne, deuxième plus grand bassin français de par sa superficie (52000 km2 au Mas d'Agenais), fait l'objet de pressions anthropiques liées aux activités humaines agricoles, domestiques et industrielles.<br />Le prélèvement des eaux de la Garonne et de ces principaux affluents sur une année hydrologique a permis de détecter des enrichissements significatifs pour un grand nombre d'éléments en trace métalliques (ETM : Pb, Cr, Ni, Cu, Zn...). Il s'avère que la plus part de ces éléments métalliques en quantité de trace (ppb) sont éventuellement transportés sous forme particulaire par les rivières. De nombreux arguments vont dans le sens d'une source majeure diffuse de pollution à l'origine de ces enrichissements : les pluies. Toutefois, certains enrichissements spécifiques liés à des activités industrielles locales sont observées (cas du Cr sur l'Agout). Les bilans des flux [entrée (pluies), sortie (exutoire)] ont mis en évidence le stockage de certains métaux, vraisemblablement dans les sols et les sédiments du lit de la Garonne.<br />Le suivi des flux d'éléments dissous majeurs (NO3-, Cl-, SO42-, Mg2+, Ca2+, K+, Na+) et plus spécialement des nitrates, en période de basses eaux estivales (50 m3/s), dans les eaux d'un tronçon de Garonne Toulousaine, a permis la caractérisation et la quantification des apports anthropiques spécifiques en NO3-, Cl-, K+ et Na+ liés à cette agglomération. Certains de ces éléments, nitrates et potassium, sont partiellement éliminés tout au long de ce tronçon. Cette consommation peut être attribuée à l'activité biologique qui se développe dans le lit de la Garonne (développement du biofilm) dans ces périodes critiques où les eaux sont plus anoxiques (moins oxygénées).<br />L'étude plus spécifique du devenir des nitrates dans une zone humide riveraine de la Garonne (site de Monbéqui) a mis en exergue les capacités de ces sites à éliminer ce composé azoté. Ces zones humides sont le théâtre de la rencontre entre les eaux de la Garonne et de la nappe, propice au développement de nombreux processus biogéochimiques. Nous avons identifié et quantifié de fortes consommations biologiques en nitrates dans les zones de mélange entre la Garonne et la nappe. Cela résulte des effets couplés de l'oxydation de la matière organique, de la respiration aérobie, de la dénitrification et de la réduction des oxydes et hydroxydes de Mn et de Fe. Au contraire, dans les zones de sortie de nappe vers la Garonne, il semblerait qu'il y ait nitrification de l'ammonium probablement originaire des profondeurs de la nappe et/ou des sols.

Accélérer la dégradation anaérobie des déchets enfouis, optimiser la production de biogaz et diminuer le temps et le coût de surveillance sont les enjeux principaux d'installation de stockage des déchets non dangereux (ISDND)-bioactives, ainsi que, plus classiquement, minimiser leurs impacts sanitaires et environnementaux. L'une des méthodes les plus efficaces pour atteindre ces objectifs est la recirculation de lixiviat et l'augmentation de l'humidité des déchets. Les objectifs du bioréacteur ne seront pas atteints sans une connaissance rationnelle des phénomènes hydrauliques, biologiques et thermiques qui s'y développent et de l'influence de l'un de ces phénomènes sur les autres. Les observations in situ, les expérimentations en laboratoire ainsi que les modèles numériques permettent ensemble une approche rationnelle de ces phénomènes. C'est ce qui constitue le corps de ce travail de thèse, où nous avons étudié le comportement hydro-thermo-biologique des déchets dans la phase anaérobie en laboratoire, sur site à partir de données hydro-thermiques de deux bioréacteurs situés en France et en développant un modèle numérique pour simuler ce comportement couplé des bioréacteurs. Les travaux en laboratoire nous ont permis d'étudier l'effet de la saturation et de la densité (compactage des déchets) sur la dégradation anaérobie des déchets ménagers et l'influence de ces paramètres sur la production de biogaz. Les données hydrauliques et thermiques in-situ des bioréacteurs nous ont permis de connaître les variations des paramètres essentiels comme la température et la saturation dans les déchets, à différentes profondeurs, et estimer d'autres paramètres qui sont difficile à déterminer expérimentalement. Le modèle numérique nous a permis d'étudier le comportement couplé, hydro-thermo-biologique, des bioréacteurs à long terme (pendant une dizaine d'années) aussi bien qu'à court terme pendant la recirculation de lixiviat. L'interdépendance des différents paramètres qui influent la dégradation des déchets est la principale raison nous ayant conduits à développer un modèle de couplage qui nous permette d'étudier chaque paramètre en fonction des autres. Les travaux en laboratoire et les données thermiques de site nous ont conduits à développer un modèle d'écoulement diphasique du liquide et du gaz dans les déchets, considérant les phénomènes biologiques, en fonction des paramètres clés de la dégradation comme la température et la saturation, pour aboutir à la production de biogaz et de chaleur. Les trois parties de ce travail, les expérimentations en laboratoire, le développement d'un modèle numérique et l'analyse des données de site ont été effectuées en parallèle de façon complémentaire. Les expérimentation de laboratoire tout comme l'analyse des données de site, nous ont montré l'importance des paramètres qu'il faut considérer dans le modèle et en retour le modèle numérique nous a aidé à diriger les expérimentations en laboratoire et montré la nécessité de conduire certaines analyses sur les pilotes expérimentaux, comme l'analyse de la biomasse, de la DCO et des AGV. L'analyse des données hydrauliques et thermiques de sites de bioréacteur nous a permis de caler les paramètres hydrauliques, biologiques et thermiques des déchets qui sont difficile à définir sur le site sans le perturber (comme la conductivité hydraulique, la saturation, la conductivité thermique, la capacité calorifique, la concentration en biomasse et en AGV). Le travail réalisé dans la thèse a permis de développer un modèle couplé hydro-thermo-biologique et de tester sa capacité à prévoir le comportement thermique d'un bioréacteur, la production totale et le taux de production de méthane. Nous avons montré qu'il était adopté à l'étude du comportement à long terme d'un bioréacteur, aussi bien qu'à court terme pendant la réinjection de lixiviat, là où les techniques de mesure et le temps sont limitants en laboratoire ou sur site

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.

L'optimisation de la digestion anaérobie par voie sèche est actuellement limitée par un manque de connaissances fondamentales. En particulier, les effets des principaux paramètres de procédé sur la dynamique réactionnelle sont peu connus en digestion sèche : teneur en eau, propriétés du substrat ou taux d'inoculation. Ces conditions opératoires ont des conséquences importantes à l'échelle des micro-organismes par la modification des conditions environnementales locales. Si la relation entre les propriétés des substrats lignocellulosiques et l'activité de la biomasse microbienne est au cœur de la dynamique réactionnelle, elle reste très peu prise en compte lors de l'ajustement des conditions opératoires. Ce travail vise à comprendre l'impact des paramètres de procédé (teneur en eau, caractéristiques du substrat, taux d'inoculation) sur le développement, la structuration et l'activité des micro-organismes au cours de la digestion sèche de substrats lignocellulosiques, en vue de maitriser le procédé dans son ensemble. La stratégie retenue a consisté à suivre la dégradation de la paille de blé, modèle des résidus agricoles méthanisables, en réacteurs discontinus faiblement inoculés. Quatre séries d'expériences ont été mises en place pour : i) comprendre comment les paramètres de procédés impactent les réactions, ii) étudier le comportement métabolique des micro-organismes à faibles teneurs en eau, iii) déterminer comment les communautés microbiennes se spécialisent selon l'évolution des caractéristiques du substrat au cours de sa dégradation, et enfin iv) valider les résultats par un taux d'inoculation moins contraignant. Tout d'abord, le criblage des principaux paramètres de procédés (teneur en matières sèches, taille des particules et taux d'inoculation) a montré une évolution progressive de leurs effets au cours de l'avancement de la réaction, sur les processus de digestion. Ensuite, l‘étude de la fermentation en voie sèche a permis de montrer, qu'en présence d'eau libre, l'augmentation de la siccité n'impacte pas le métabolisme microbien, mais modifie les équilibres entre les communautés microbiennes. Le recours à un protocole de compartimentation de la biomasse microbienne spécialement développé dans cette thèse a mis en évidence une spécialisation forte et progressive des communautés microbiennes associées à l'hydrolyse du substrat, au cours de sa dégradation. Des observations par microscopie électronique à transmission indiquent que cette modification coïncide avec la dégradation progressive des tissus de la paille en fonction de leur degré de lignification. La mise en évidence de barrières physiques, récalcitrantes à la biodégradation et rarement décrites dans le contexte de la méthanisation, indique que l'accessibilité du substrat est le paramètre principal limitant la réaction. Ces informations suggèrent que le broyage du substrat est un prétraitement de choix en digestion sèche. Cependant, une dernière expérience a montré qu'en voie sèche, un broyage fin limite les gains de performances du procédé par une augmentation des risques d'acidification des digesteurs. / Nowadays, optimization of solid-state anaerobic digestion is limited by a lack of fundamental knowledge. In particular, the effects of the main process parameters, such as water content, substrate property or inoculation rate, on the reaction dynamics are poorly understood in solid-state anaerobic digestion. In fact, process parameters have consequences at microbial scale by the modification of the local environmental conditions. Nevertheless, even if the relationship between the lignocellulosic substrate characteristics and the microbial activity is a keystone of the reaction dynamics, it is rarely considered for the selection of operating conditions.This work aims to understand the influence of process parameters (total solid content, substrate characteristics, and inoculation ratio) on the microbial development, compartmentation and activity in order to optimize dry anaerobic digestion of lignocellulosic substrate. The selected strategy consisted in following wheat straw biodegradation, which is a model of agricultural wastes available for anaerobic digestion, in low inoculated batch reactors. Four series of experiment have been established to: i) understand the impact of process parameters on the reaction, ii) study the metabolic behavior of microorganisms face to low water content, iii) evaluate the relationship between substrate characteristics and modification of microbial communities and finally iv) validate results by less restricting inoculation rate.First, a screening of solid-state process parameters (total solid content, particle size and inoculation rate) showed a progressive change of their effect on digestion process during the reaction progress. Then, the study of dry fermentation indicated that, when water is free within the media, increasing total solid content has a low impact on the microbial metabolism, but modifies equilibriums between microbial communities. Based on a protocol developed to investigate the biomass compartmentation, we enlightened a strong and progressive specialization of the microbial communities associated to substrate hydrolysis during its biodegradation. Observations using transmission electronic microscopy indicated that this modification corresponds to a progressive degradation of the straw tissues depending on their lignification degree. Furthermore, the identification of physical barriers, rarely described in anaerobic digestion, suggests that substrate accessibility is the main parameter limiting the reaction. This information suggests that substrate milling can be theoretically a good pretreatment to improve dry anaerobic digestion. However, a last experiment showed that fine milling limits the process performances by a higher risk of acidification in digesters.

Les deux principaux objectifs de cette thèse sont de développer les aspects théoriques et expérimentaux sur la co-méthanisation des déchets fermiers et alimentaires. Les objectifs de nos études portent sur l'élimination du maximum de déchets mis en ISDND, la réduction des pollutions des milieux naturels (eau, sol, air) par les effluents d'élevage, les boues de STEP et sur la mise en disposition d'une source énergétique renouvelable via le biogaz obtenu. Premièrement, nous avons effectué des expérimentations sur la co-méthanisation des effluents liquides, lisier de porc, boues de STEP, et de la vinasse et le mélange de ces effluents d'élevage avec les déjections solides des animaux (fumier, fientes) et des biodéchets (restes de repas). Ces expérimentations avaient pour but de suivre l'évolution du milieu réactionnel en fonction du composant du mélange ainsi co-digéré. Deuxièmement des tests des potentiels méthane et biogaz issus de mélange associant plusieurs types de déchets organiques sous différents états physiques (liquide, semi liquide, pâteux, solide) ont été effectués. La problématique qui se posait étant de savoir parmi les déchets à mélanger, quelle proportion de chaque mono-substrat donnera le meilleur potentiel méthanogène et s'il était possible de mettre en avant des effets synergétiques entre déchets. Nous avons fait appel à un outil statistique, le plan de mélange pour définir les mélanges à tester. Pour un mélange à 3 composants (fumier de vache, lisier de porc, restes de repas), le nombre d'expériences optimum à réaliser a été de 13. La réalisation du plan de mélange, c'est à dire la campagne expérimentale sur les co-méthanisations des 13 mélanges proposés nous a permis d'observer que le potentiel méthane d'un mélange dépend tout premièrement de sa texture (état physique) à l'entrée du processus. Un mélange contenant un maximum en proportion en co-produits liquides (lisier de porc) associé avec le maximum de déchets riches en substrats solubles (restes de repas) nous a donné les meilleurs potentiels méthane et biogaz. Cette observation a été confirmée par le taux de conversion de la matière sèche (MS) en matière volatile (MV) du mélange. Compte tenu du taux de MS, MV et le ratio MV/MS d'un mélange, ainsi que les interactions entre les composants du mélange, une loi permettant de prédire le potentiel biogaz d'un mélange doit considérer ces facteurs. Cette loi doit tenir compte de l'effet positif (synergisme) et l'effet négatif (antagonisme) entre les composants du mélange. Cette loi a été définie dans le but de prédire le potentiel méthane des mélanges constitués de fumier de vache, lisier de porc et restes de repas et se situant à l'intérieur du domaine expérimental défini par les limites sur les proportions minimale et maximale de chaque composant du mélange. Toutefois, cette loi définie n'est applicable qu'aux mélanges d'association de fumier de vache, de lisier de porc et des restes de repas. Cette loi a été définie pour estimer le BMP des mélanges, et ne permet pas de suivre le procédé de la méthanisation. Aussi, pour prédire le volume de biogaz (méthane) journalier ou cumulé de la cométhanisation. / The two main objectives of this thesis are to develop theoretical and experimental aspects of the anaerobic co-digestion of farm wastes associated with food. Our general studies have for objectives the elimination as much as possible the maximum of organic waste into non-hazardous landfills, reduce pollution of natural environments (water, soil, air) by the effluent livestock, sewage sludge, and dispose of energy via the produced biogas.Firstly, we carried out experiments on the anaerobic co-digestion of the liquid effluents association (pig slurry, sewage sludge, vinasse effluents) and the mixture of animal slurries, manures, and food waste. The aim of these experiments was to follow the evolution of the reactor behavior according to the component of the co-digested mixture.Secondly, BMP tests of mixture of association several types of organic waste under different physical condition (liquid, semi liquid, pasty, solid) were carried out. We have been tried to know, which proportion of each mono-substrate will give the best BMP among waste to mix? We used a statistical tool, the mixture design to define the mixtures to be tested. For a mixture with 3 components (cow dung, pig slurry, food waste), the optimum number of experiments to realize was 13.The realization of the mixture design, i.e. the experiment series on the anaerobic co-digestion of the 13 proposed mixtures enabled us to observe that the BMP of a mixture firstly depends on its texture (physical state) at the entry of the process. A mixture containing a maximum in proportion in liquid substrate (pig slurry) associated with food waste gave us the best biogas and methane potential. This observation was confirmed by the conversion rate of dry matter to volatile solid (VS) of the mixture. These results were proven by the activity (synergism, antagonism) of mixtures components influencing to BMP tests.The empiric law defined to predict the BMP of a mixture must to account the rate of VS/DM of a mixture, and the interactions between components of the mixture. This law must also include the positive effect (synergism) and negative (antagonism) between components of the mixture. This law has been defined in order to predict the potential methane mixtures of cow dung, pig slurry and food wastes and being within the experimental domain defined by the limits on minimum and maximum proportions of each component of the mixture. However, this definite law is applicable only to the mixtures of cow dung, pig slurry and food waste. The definite law is limited for prediction of mixtures BMP. However, this empiric law can not be used to follow reactor process. Model with three stages (hydrolysis of soluble substrate, acidogenic production stage and methanogenic stage) was used to predict daily and cumulative of biogas and methane production of anaerobic digestion of farm waste associated with vegetable waste. This model must be adapted with substrate type used and experimentations conditions (batch and mesophilic conditions). An adjustment of the model equations describing hydrolysis polymers stage was necessary in order to take into account of the concentration of polymers in particulate forms contained in complex substrates such as manure, slurry, and vegetable food waste. This adapted model was called model of Coupling. Indeed, a calibration of the most influential parameters of the model of Coupling, on the output must be carried out in order to validate the model.Daily and cumulative predictions of biogas and methane production of anaerobic digestion of farm waste associated with food waste were obtained by using adapted dynamical model. Model parameters values depend on the substrate type using in experimentation processes. Moreover, parameters values must be verified, needing further work.

Le traitement des déchets alimentaires (FW) par digestion anaérobie peut conduire à une production d'énergie couplée à une réduction des émissions de volume et de gaz à effet de serre à partir de ce type de déchets. Néanmoins, l'obtention de la récupération du méthane la plus élevée possible dans un temps plus court avec un fonctionnement stable est difficile. Pour surmonter les obstacles de la MA de divers procédés de pré-traitement FW, la supplémentation en oligo-éléments, bioaugmentation utilisant la bouse des animaux de zoo et la comparaison des configurations de réacteurs, y compris une étape ou en deux réacteurs à cuve agités en continu (CSTR) et un réacteur à membrane anaérobie (AnMBR ) ont été étudiées dans le cadre de la présente recherche. Sur la base des résultats des expériences de traitement par lots, de pré-traitement thermique à 80 ° C pendant 1,5 heure cédés> 50% augmentation de la production de biométhane, et il a été trouvé à être plus économe en énergie que l'ozonation ou prétraitements de choc thermophiles. Parmi les différentes concentrations testées et les oligo-éléments, Fe (II) et Se (VI) des concentrations de 25 à 50 ug / L ont donné lieu à 39 et 35% d'augmentation de la production de biométhane, respectivement. Une meilleure solubilisation des protéines (6,96 ± 2,76% de plus) et de glucides récalcitrants (344,85 ± 54,31 mg / L par rapport à zéro) pourrait être obtenue avec bioaugmentation de girafe fumier (30% en volume), qui a donné un 11,24 ± 4,51% de plus production de biométhane. Un CSTR à deux étages avec digestat re-circulation de meilleurs résultats que d'un stade en raison de sa (i) une meilleure capacité d'auto-ajustement du pH; (ii) une plus grande résistance aux chocs de charge organique; (iii) de près de 100% de matières solides volatiles a été destryoed par rapport à 71% en CSTR une étape; (iv) 50 à 60% de teneur en méthane a été obtenu, alors qu'il était de 40 à 50% en une seule étape CSTR; (c) une petite quantité d'hydrogène a également été détectée à partir de la première étape du réacteur à deux étages qui en fait un système attrayant pour la production de biohythane. Bien que la séparation physique des méthanogènes rendus plus sensibles à des facteurs inhibiteurs, tels que l'ammonium et l'acide propionique. En outre, le temps de rétention hydraulique (HRT) est encore une chute de ces systèmes, d'où une AnMBR équipé d'une membrane de fluorure de vinylidène courant latéral a été proposé et exploité avec succès pour 100 d. Merci de membranes HRT a pu être réduite de 20 d à 1d, tout en conservant un rendement global d'élimination de> 97% de la demande en oxygène influent chimique (COD) et a abouti à une production de biogaz supérieure à 70% de teneur en méthane / Treatment of food waste by anaerobic digestion can lead to an energy production coupled to a reduction of the volume and greenhouse gas emissions from this waste type. Nevertheless, obtaining the highest possible methane recovery in a shorter time with a stable operation is challenging. To overcome the hurdles of AD of FW various pretreatment methods, supplementation of trace elements, bioaugmentation using zoo animals' dung and comparison of reactor configurations including one-stage and two-stage continuously stirred tank reactors (CSTR) as well as anaerobic membrane reactor (AnMBR) were studied in the scope of this research. Based on the results of the batch experiments, thermal pretreatment at 80°C for 1.5 hours yielded 46 – 52% higher biomethane production, and it is more energy efficient than ozonation or thermophilic shock pretreatments. Among the various tested concentrations and trace elements Fe (II) and Se (VI) concentrations of 25-50 ug/L resulted in 39 and 35% increase of biomethane production, respectively. A better solubilization of proteins (6.96 ± 2.76% more) and recalcitrant carbohydrates (344.85 ± 54.31 mg/L as compared to zero) could be obtained with bioaugmentation of giraffe dung (30% by volume), which yielded a 11.24 ± 4.51% higher biomethane production. A two-stage CSTR with digestate re-circulation performed better than one-stage with (i) a better pH self-adjusting capacity; (ii) a higher resistance to organic loading shocks; (iii) almost 100% volatile solids was destroyed as compared to 71% in one-stage CSTR; (iv) 50-60% methane content was obtained, while it was 40-50% in one-stage CSTR; (v) a small amount of hydrogen was also detected from the first stage of the two-stage reactor making it an attractive biohythane production system. Although physically separating the methanogens made them more sensitive to inhibitory factors, such as ammonium and propionic acid. Moreover, the long hydraulic retention time (HRT) is still the problem with these systems, hence an AnMBR equipped with a side-stream polyvinylidene fluoride membrane was proposed and a successful operation was achieved. Thanks to the membranes the HRT was able to be reduced from 20 d to 1d, while maintaining an overall removal efficiency of >97% of the influent chemical oxygen demand (COD) and yielded a higher biogas production with 70% methane content

Le traitement des eaux usées par étangs aérés facultatifs est la méthode de traitement la plus répandue au Québec. Depuis l’adoption du ROMAEU (Règlement sur les ouvrages municipaux d’assainissement des eaux usées), plusieurs municipalités doivent faire une mise à niveau de leur station de traitement pour se conformer aux nouvelles normes de rejet, soit une concentration à l’effluent en MeS de 25 mg/L ainsi qu’une concentration en DBO5C de 25 mg/L. De plus, plusieurs stations ont, à ce jour, atteint leur vie utile et/ou leurs charges hydraulique ou organique sont dépassées. Ainsi, pour augmenter la capacité des étangs, quelques solutions ont été développées, dont le système KAMAKMC conçu par la compagnie Bionest, qui consiste en deux réacteurs à milieu fixe insérés dans un étang entre trois zones de décantation. Peu de données sont actuellement disponibles pour assurer une compréhension approfondie de ce procédé et de ses sous-systèmes. La présente étude consiste donc en l’analyse du comportement des boues au sein de cette nouvelle filière de traitement, principalement dans les zones de décantation. L’étude a été réalisée sur un système KAMAKMC installé dans le premier tiers de l’étang aéré de Grandes-Piles, en Mauricie. Le suivi de l’accumulation de boues a été effectué de mai 2016 à mai 2017 inclusivement, à raison d’une fois par mois. Les mesures ont été prises à l’aide d’une jauge à boues à différents points dans les zones de clarification. À titre de comparaison, des mesures avec un sonar ont été effectuées 3 fois durant la période du suivi (avril et octobre 2016 ainsi qu’en mai 2017). En parallèle aux mesures de hauteurs de boues, un échantillonnage a été effectué pour faire certaines analyses, dont les solides totaux (ST) et les solides totaux volatils (STV). De plus, une mesure de gaz in situ ainsi qu’en laboratoire ont été réalisées pendant la période estivale permettant de mieux caractériser la digestion anaérobie survenant dans ces zones de décantation. La température de l’eau durant la période de suivi a varié entre approximativement 2 °C et 22°C. Les taux d’accumulation trouvés pour Cl2 et Cl3 sont respectivement de 0,05m3an-1hab-1 et de 0,06m3an-1hab-1 . Par contre, la première zone de décantation possède un taux d’accumulation de boues annuel de 0. Cela suggère que l’aération fournie dans Cl1 limite l’accumulation de boues à 0,6m et que les solides primaires se déplacent vers Cl2 et Cl3. À partir du ratio STV/ST, il a été possible de remarquer qu’en température froide, le ratio était plus élevé dans les zones de décantation, tandis qu’en température chaude ce ratio était diminué. Pour la récolte de gaz in situ, des valeurs de 18 LCH4m-2d -1 et 4 LCH4m-2d -1 ont été trouvées dans ces deux zones et ils étaient composés de 62,8% de méthane en moyenne et 1,4% de CO2. Le peu de gaz carbonique est probablement attribuable à une solubilisation du gaz dans l’eau sous-jacente au montage de récolte de gaz. / In Quebec, wastewaters are mostly treated with aerated facultative lagoons. Since the adoption of the Regulation respecting municipal wastewater treatment works, many municipalities need to upgrade and improve their wastewater treatment station to comply with the new requirements, which are a concentration of suspended solids (SS) less than or equal to 25 mg/L and a concentration of the 5-day carbonaceous biochemical oxygen demand (CBOD5) less than or equal to 25 mg/L. Moreover, many stations have arrived at the end of their operating life expectancy and other stations have even exceeded their organic loads or flowrate loads. One solution that would help these municipalities would be to improve these stations with the new KAMAKMC technology developed by Bionest. This new technology incorporates two reactors containing BIONEST® inert media placed directly in a lagoon, between three clarification zones. At this time, there is a lack of technical data to ensure a good understanding of the KAMAKMC system. The aim of the present study is to characterize sludge accumulations in this new technology, especially in the clarification zones. Tests were conducted with a KAMAKMC system installed in the first third of an aerated lagoon belonging to the municipality of Grandes-Piles, in province of Québec. Between May 2016 and May 2017, measurements of sludge accumulations are taken monthly with a sludge judge in the clarification zones. To compare these measurements, sonar testing is taken 3 times during the year (April and October 2016 and May 2017). Sludge samples are taken during the year to measure total suspended solids (TSS) and volatile suspended solids (VSS). Moreover, gas sampling equipment sits over the lagoon to retrieve samples during the summer months of 2016, to allow a better characterization of anaerobic digestion in the zones. Water temperature during this follow up was between 2°C and 22°C. The sludge accumulation rate in the second and the third clarification zones were 0,05m3y -1hab-1 et de 0,06m3y -1hab-1 . In fact, the first clarification zone had a sludge accumulation rate of 0. This indicates that aeration in the first zone was high, restraining the sludge accumulation to a value of 0,6m and that primary solids were probably displaced in the next two clarification zone due to excessive aeration. The VSS/TSS ratio indicates that in cold temperature, the ratio was constant in every zone, while during the summer months a lower ratio was observed. Values of 18 LCH4m-2d -1 and 4 LCH4m2d -1 in Cl2 and Cl3 were found with the gas collector on the lagoon. Average methane concentrations in the gas collector were 62,8% and 1,4% of CO2. The low percentage of CO2 might be caused by the gas solubilization in the water.

Le développement hydroélectrique de la région amazonienne a conduit la création de plusieurs retenues. La qualité de l'eau de ces retenues subit de modifications provoquées par divers facteurs parmi lesquels la dégradation de la végétation terrestre immergée semble prédominante. Nous avons cherché l'intégration de ces facteurs dans un modèle mathématique pour étudier l'évolution de cette qualité de l'eau. Ce modèle décrit, selon les dimensions verticale et longitudinale, le comportement de cinq variables d'état: l'oxygène dissous, la matière organique dans la colonne d'eau, la matière organique facilement dégradable, la matière organique difficilement dégradable, et l'ammonium. Ce comportement est décrit en conditions d'aérobiose et d'anaérobiose. Le compartiment physique du modèle utilise deux approches pour la description longitudinale de la retenue. La première utilise un modèle thermique unidimensionnel et une discrétisation longitudinale en boîtes. La seconde utilise un modèle thermique unidimensionnel et une description longitudinale de l'intrusion du fleuve. Le modèle est calé et validé sur la base de données de la retenue de Tucurui (Brésil). Les principaux résultats indiquent une simulation correcte des événements de stratification et déstratification, ainsi que des concentrations en oxygène dissous et en ammonium. Cette modélisation met en évidence la part importante prise par la dégradation des troncs et des branches dans l'évolution de la qualité de l'eau de la retenue. En effet, leur dégradation provoque une forte consommation d'oxygène; le dégagement d'ammonium, en revanche, est marginal.