Dans un contexte de société où le développement durable est mis de l'avant, la gestion de lisiers provenant de la production d'animaux d'élevage est de plus en plus difficile. En effet, l'épandage de lisiers est soumis à des lois gouvernementales plus strictes afin de prévenir les problèmes environnementaux pouvant y être associés. Une solution envisagée est de traiter le lisier avant de l'épandre afin d'en réduire la charge polluante. L'objet de la présente étude consiste donc à optimiser l'élimination de l'azote contenu dans un lisier de porc synthétique (affluent) à l'aide d'un procédé biologique. Plus spécifiquement, l'étude comprend le démarrage, le développement et l'opération d'un biofiltre percolateur où le lixiviat (l'effluent traité) est recirculé dans le but d'éliminer la charge azotée sous forme d'ammonium (NH 4+ ) de l'affluent. Deux biofiltres percolateurs ont été opérés en étant alimentés en continu en lisier synthétique. La première étape du traitement consiste à un procédé biochimique de nitrification effectué par des bactéries autotrophes dans un environnement en aérobiose. Cette étape est combinée à un procédé de bio-oxydation de la matière organique du lisier. Durant le procédé de nitrification, le NH 4 + est oxydé en nitrite (NO2- ) puis en nitrate (NO3- ). La deuxième étape du traitement est d'associer la nitrification et la bio-oxydation de la matière organique à un procédé de dénitrification où le NO3- obtenu de la nitrification est réduit en azote atmosphérique (N2 ), acceptable pour l'environnement. Différents paramètres ont été variés afin d'optimiser le procédé. Trois méthodes de purge (sans purge, purge en discontinu et purge en continu), deux types de garnissage (sphères de polypropylène et billes de céramiques), quatre débits de recirculation (0, 0.5, 1 et 1.5 L min -1 ) et trois charges du lisier en carbone (137, 275 et 550 g C m-3 h-1 ) et en azote (60, 120 et 240 g N m-3 h -1 ) ont été testés. Principalement, les résultats indiquent que la purge en continu a un effet positif sur la production de biomasse et la production de CO 2 . L'augmentation du débit de recirculation a eu pour effet de diminuer la conversion du NH4+ pour les deux types de garnissages. L'effet a par contre été différent en ce qui concerne la production de CO2 : cette dernière a augmenté dans le biofiltre garni de sphères de polypropylène et diminué dans le biofiltre garni de billes de céramique. Lorsque les biofiltres étaient opérés sans recirculation, des taux de conversion de plus de 99% ont été obtenus. L'augmentation du débit de recirculation a également favorisé la production de NO 2- dans le lixiviat. Pour les deux types de garnissage, le fait d'augmenter la charge azotée de l'affluent a auFenté la production de CO2 pour les deux débits de recirculation testés (0 et 0.5 Lmin-1 ) et des conversions de plus de 99% ont été obtenues sans recirculation du lixiviat. Lorsque le lixiviat était recirculé (débit de 0.5 Lmin -1 testé) avec le biofiltre garni avec des billes de céramique, l'augmentation de la charge azotée a eu pour effet d'augmenter la conversion de NH4+ de 90% à 99%. Par contre, l'augmentation de la charge azotée semble n'avoir aucun effet sur la conversion du NH4+ lorsque les biofiltres sont opérés sans recirculation. [symboles non conformes]

Les émissions de méthane (CH[indice inférieur 4]), gaz à effet de serre provoquant le réchauffement climatique doivent être contrôlées. Les biofiltres peuvent être utilisés pour atteindre cet objectif. Les émissions de CH[indice inférieur 4] issues des industries agroalimentaires ou du traitement des eaux peuvent être accompagnées de vapeurs d’alcool. La présence simultanée de CH[indice inférieur 4], polluant à limitation par transfert de masse et d’alcool, polluant à limitation cinétique dans un mélange gazeux peut induire des limitations dans le biofiltre. L’objectif principal de cette recherche est l’évaluation des limitations dans un biofiltre traitant le CH[indice inférieur 4] en présence ou en absence de vapeur d’alcool en régime permanent ou transitoire. Dans un premier temps, une revue de littérature s’est penchée sur les limitations basées sur le transfert de masse et la cinétique lors de l’enlèvement de polluants organiques dans un biofiltre. Par la suite, l’élimination du CH[indice inférieur 4] a été effectuée dans un biofiltre afin d’évaluer l’influence de la concentration à l’entrée du biofiltre sur la performance du biofiltre. Une capacité d’élimination maximale de 45 g [indice supérieur -3] h[indice supérieur -1] a été obtenue pour une charge à l’entrée de 87 g [indice supérieur -3] h[indice supérieur -1] du biofiltre. Le biofiltre a toléré des charges par à-coups de CH[indice inférieur 4] de même que des privations de CH[indice inférieur 4] et de nutriments. Par conséquent, les comportements en régimes permanent et transitoire d’élimination du CH[indice inférieur 4] en présence de vapeurs d’éthanol ont été étudiés dans un biofiltre ayant un lit filtrant inorganique sous des temps de résidence en fût vide (EBRT) de 6, 3 et 1.5 minutes. L’ajout d’éthanol sur 3 cycles a été effectué en fonction des 3 EBRTs. Un EBRT de 6 min correspondant à des charges à l’entrée de CH4 et d’éthanol de 4.5 et de 132 g [indice supérieur -3] h[indice supérieur -1] a induit des limitations mineures en ce qui a trait à l’enlèvement du CH[indice inférieur 4] et de l’éthanol. En régime transitoire, la période de récupération après les 3 cycles a nécessité 10 à 25 jours. Ce délai est relié à la présence d’éthanol dans le lixiviat. Dans un dernier temps, deux biofiltres ayant un garnissage de pierres et un garnissage mixte ont été comparés pour l’enlèvement du CH[indice inférieur 4] et de l’éthanol présents dans un mélange gazeux en régime permanent. La section inférieure du biofiltre a permis l’élimination totale de l’éthanol. De plus, lors de l’élimination totale de l’éthanol dans la section inférieure du biofiltre, la production de dioxyde de carbone (CO[indice inférieur 2]) dépasse 16 g[indice supérieur -3] h[indice supérieur -1], pour des charges à l’entrée de CH[indice inférieur 4] et d’éthanol de 11 et 13 g m[indice supérieur -3] h[indice supérieur -1] respectivement. Par ailleurs, une concentration en éthanol dans le lixiviat excédant 2500 géthanol m[indice supérieur -3] lixiviat a été obtenue. Les biofiltres ont démontré une flexibilité pour des charges par à-coups d’éthanol suivies de périodes de carence. Le principal inconvénient du biofiltre à lit de pierres par rapport au biofiltre mixte est une perte de charge élevée dans la section inférieure du biofiltre. Une période de carence est un excellent moyen de contrer la perte de charge. / Abstract : Since methane (CH[subscript 4]) is a greenhouse gas with hazardous effects for global warming, every effort should be made to reduced methane emissions. Biofilters are potential candidates for CH[subscript 4] removal. In food and beverage industries as well as ethanol refineries, the feed of the biofilter might be a mixture of CH[subscript 4] emissions from wastewater treatment unit and ethanol emissions from other units. The presence of CH[subscript 4] as a mass transfer limited and ethanol vapor as a kinetic limited pollutant in a mixture can produce several limitations in a biofilter. The main objective of this research is to evaluate the limitations of CH[subscript 4] biofiltration or in the presence of ethanol vapors under steady and transient state conditions. First, a literature review was provided on mass transfer and kinetic limited organic pollutants removal in biofilters and the related limitations. Subsequently, the CH[subscript 4] elimination was assessed in a biofilter in order to evaluate the effect of CH[subscript 4] inlet concentration in the range of 1000 to 13000 ppmv and a gas flow rate of 3 L min[supercript -1] on the biofilter performance. A maximum CH[subscript 4] elimination capacity (ECmax) of 45 g m[superscript -3] h[superscript -1] was obtained for a CH[subscript 4] inlet load (IL) of 87 g m[superscript -3] h[superscript -1]. The biofilter tolerated CH[subscript 4] shock loads as well as different types of CH[subscript 4] and nutrient starvations. Subsequently, the steady state and dynamic behaviors of CH[subscript 4] elimination in the presence of ethanol vapor was studied in an inorganic bed biofilter with empty bed residence times (EBRTs) of 6, 3 and 1.5 min. Ethanol addition was performed in 3 cycles based on the EBRTs. An EBRT of 6 min with corresponding CH[subscript 4] and ethanol inlet loads of 132 and 4.5 gpollutant m[superscript -3] h[superscript -1] respectively, caused the least limitations for the simultaneous removal of CH[subscript 4] and ethanol in the biofilter. According to dynamic behavior of the biofilter, the recovery time after the three cycles took from 10 to 25 days. The delayed biofilter recovery was linked to the presence of ethanol in the liquid effluent. Finally, a stone-based bed and a hybrid packing biofilter were compared for CH[subscript 4] and ethanol removal in a mixture under steady and transient state conditions. Ethanol was completely removed in the bottom sections of both biofilters. A large carbon dioxide (CO[subscript 2]) production rate exceeding 18 g m[superscript -3] h[superscript -1] occurred in the bottom sections for CH[subscript 4] and ethanol inlet loads of 11 and 13 g m[superscript -3] h[superscript -1] respectively. In addition, an ethanol concentration in the leachate exceeding 2500 gethanol m[superscript -3] leachate was obtained for both biofilters. The biofilters were flexible to an ethanol shock load followed by a starvation period. The main drawback of the stone based bed biofilter compared to the hybrid packing biofilter was an excess pressure drop in the bottom section. Starvation was found an effective strategy for reducing the pressure drop.

Le méthane est un gaz à effet de serre et ses principales sources d’émissions anthropiques sont les sites d’enfouissement (décomposition anaérobique de déchets) et l’élevage de bovins laitiers (fermentation entérique des ruminants). Il a été démontré que le biorecouvrement d’oxydation passive de méthane (BPOM) dans les sites d’enfouissement est une technologie techniquement et économiquement viable pour la diminution des émissions fugitives du méthane. Ce recouvrement favorise le développement et la croissance des micro-organismes (bactéries méthanotrophes). La biofiltration est une technologie qui aide à la dégradation aérobie du méthane. Pendant ce processus, la pollution de l’air passe à travers les macropores de matériau filtrant, dans notre cas le mélange de compost et de la paille. Ce mélange de matériaux a été choisi par diverses recherches dans le groupe de géo-environnement. Ces matériaux ont bien répondu au développement et à la croissance d’organismes méthanotrophes responsables de l’oxydation du CH4. C’est pour cette raison que ces systèmes sont exploités dans les sites d’enfouissement et dans le secteur de l’agriculture, car ils aident à contrôler les émissions fugitives de CH4 dans l’atmosphère. Les objectifs généraux de ce projet sont de comparer l’effet relatif d’un conditionnement à un débit de méthane en fonction d’un conditionnement à un type de racines sur le potentiel d’oxydation du méthane, de déterminer l’influence de la variation de la température dans les biofiltres et, au final, d’étudier le potentiel d’oxydation du méthane dans la rhizosphère de diverses plantes dans différents types du sol. Les quatre essais de laboratoire à l’échelle seront : les trois essais d’oxydation du méthane dans les pots Masson, l’acclimatation dans des seaux et des essais d’oxydation du CH4 en colonnes avec les systèmes de refroidissement. Les résultats ont montré que même s’il existe une différence moyenne de la consommation de CH4 pour le sol rhizosphérique qui a été modérément pré-exposé, aucune différence statistiquement significative n'a été trouvée dans les paramètres cinétiques de l'oxydation du CH4 (temps de latence et demi-vie) de tous les sols rhizosphériques, ce qui suggère que l'oxydation du méthane ne dépend pas des espèces de plantes ou des niveaux de préexposition au CH4, pour les sols et les plantes testés ici. Les valeurs de taux d'oxydation obtenues étaient plus élevées que celles rapportées dans la littérature révisée pour les sols de couverture des sites d'enfouissement. Les études scientifiques de terrain de biofiltration ont montré que la température interne des biofiltres est plus stable et supérieure à la température ambiante. Nos résultats de laboratoire de 15°C internes (qui équivaut à -30°C température ambiante) nous permettent de soupçonner une efficacité de 70% en conditions hivernales pour les fermes laitières. Les efficacités peuvent s’améliorer jusqu’à 90% en conditions estivales.

Le secteur industriel du traitement des déchets génère des émissions gazeuses induisant des nuisances odorantes auprès des populations riveraines des installations. Ces effluents gazeux contiennent une grande diversité de composés volatils : oxygénés (acides gras volatils, cétones, aldéhydes, alcools), azotés et soufrés (hydrogène sulfuré (H2S), diméthylsulfure (DMS), diméthyldisulfure (DMDS) et méthanethiol (MT)). Ces effluents gazeux sont traités par un dispositif approprié que sont les bioprocédés. Néanmoins, les seuils de perception des composés odorants et plus particulièrement ceux des composés soufrés, très bas, obligent à atteindre des efficacités d'abattement particulièrement élevées, faute de quoi le résiduel de concentration peut être à l'origine d'un impact notable sur les populations riveraines. L'objectif de cette étude est donc d'améliorer les performances de ces procédés biologiques par la mise en oeuvre de filières de traitement. L'originalité de ce travail est d'évaluer les performances d'épuration d'un mélange de composés soufrés par la mise en oeuvre du couplage de deux procédés biologiques que sont le lit percolateur et le biofiltre.Le premier résultat de ce travail de thèse a consisté à évaluer l'impact du pH sur l'activité de dégradation de composés soufrés en mélange (H2S, DMS et DMDS) en mettant en oeuvre des microcosmes. La valeur du pH de la phase aqueuse a une influence sur l'efficacité d'élimination des DMS et DMDS. Une élimination complète de ces derniers est observée pour une gamme de pH comprise entre 5 et 7. Les performances de ce couplage ont été comparées avec celles observées dans le cas de biofiltres seuls (dupliquats). Après une phase d'acclimatation, un fonctionnement stable est maintenu en conditions opératoires stationnaires. Les potentialités du couplage ont été mises en évidence, les niveaux d'abattement des DMS et DMDS étant supérieurs (de l'ordre de 20%) pour le couplage de bioprocédés. La composante microbiologique a fait l'objet d'une attention particulière en évaluant les densités de deux populations connues pour dégrader ces composés soufrés (Hyphomicrobium et Thiobacillus thioparus) par q-PCR au sein du biofiltre couplé au filtre percolateur et des biofiltres de référence. Les résultats obtenus mettent en évidence la présence de ces deux populations à des taux élevés (104 copies du gène ADNr-16S/ng ADN extrait pour Thiobacillus thioparus et 104-106 copies du gène ADNr-16S/ng ADN extrait pour Hyphomicrobium). La répartition de ces deux populations est similaire dans les deux cas (couplage et biofiltres seuls).Face à des perturbations représentatives de celles observées sur site, la robustesse du couplage a pu être mise en évidence, les niveaux d'efficacité d'avant les chocs sont récupérés dans un délai inférieur ou égal à 72 heures après l'arrêt de la perturbation. Enfin, une application sur site (équarrissage) a été conduite sur une période de trois mois et a permis de valider les résultats de laboratoire et de montrer l'adaptabilité d'un tel système face à la variabilité d'un effluent réel.

Cette thèse concerne la simulation et la commande d'un biofiltre de dénitrification. Selon que l'on considère ou que l'on néglige la diffusion, des modèles d'EDP paraboliques ou hyperboliques sont considérés. En plus des classiques méthodes des lignes, des approches spécifiques au type d'EDP sont évaluées pour simuler le système. La méthode des caractéristiques s'applique aux systèmes d'EDP hyperboliques. L'analyse modale utilisée pour les systèmes d'EDP paraboliques permet de manipuler un système d'ordre réduit. L'objectif de commande est alors de réduire la concentration en azote en sortie du réacteur sous une certaine limite, en dépit des perturbations externes et des incertitudes du modèle. Deux stratégies de commande sont considérées. Une approche "early lumping" permet la synthèse d'une loi de commande linéaire H2 de type retour de sortie avec observateur. Une approche "late lumping" associe une loi de commande linéarisante un observateur à paramètres distribués.

Le comportement hydrodynamique des procédés d'épuration à culture fixée est un facteur déterminant de leur efficacité. Ce comportement peut être étudié par la méthode de la distribution des temps de séjour (DTS) à l'aide d'un traceur, ici le lithium. La méthode est appliquée à 8 lits bactériens en grandeur réelle. Pour interpréter les DTS obtenues, un modèle simulant les échanges de traceur entre le film liquide et le film bactérien est introduit, ce qui permet d'expliquer la traînée importante observée sur les queues de courbe des DTS. Ce modèle fournit par ajustement aux courbes expérimentales un volume mobile et un volume immobile. Le premier est comparé au volume drainé par le lit, et le second pourrait être un indicateur du volume de biomasse dans le lit, paramètre-clé pour l'exploitation. Par ailleurs, il a été possible de déterminer les paramètres cinétiques caractéristiques du biofilm, dans le cas de lits bactériens à garnissage traditionnels. L'hydrodynamique de deux biofiltres de nitrification tertiaire à flux ascendant de plus de 100 m2 de surface horizontale a été explorée. Il s'agit du procédé « Biofor » à Achères et du procédé « Biostyr » à Saint Fons. Les DTS ont été déterminées à plusieurs points de la section horizontale au sein du réacteur, afin d'estimer l'homogénéité de l'écoulement. Des prélèvements ont été réalisés à la base et au sommet du lit filtrant, afin d'isoler l'influence de la zone inférieure du biofiltre, dans laquelle l'effluent est distribué, du lit filtrant seul. Dans ce dernier, les caractéristiques hydrodynamiques comme le volume actif et la dispersion ont été calculées en considérant que l'écoulement est assimilable à un piston avec dispersion axiale. Il a été conclu que les différences importantes de temps de séjour observées en différents points de la surface du biofiltre peuvent en partie être expliquées par la distribution inégale de l'effluent à la base du biofiltre. La méthode a aussi permis de détecter un colmatage temporaire du lit filtrant. Les conséquences possibles sur les performances du procédé ont été estimées à l'aide d'un modèle cinétique du processus de nitrification par le biofilm. Les résultats suggèrent que les conséquences sont limitées à l'occurrence d'une brusque et importante variation de la concentration d'entrée.

De grandes quantités de méthane sont générées dans les sédiments marins, mais l'émission dans l'atmosphère de ce gaz à effet de serre important est en partie contrôlé par oxydation anaérobie de méthane couplé à la réduction de sulfate (SR AOM). AOM-SR est médiée par des méthanotrophes anaérobies (ANME) et bactéries sulfato-réductrices (SRB). AOM-SR est non seulement la régulation du cycle du méthane, mais il peut être utile appliquée pour la désulfuration des eaux usées industrielles au détriment du méthane comme source de carbone. Cependant, il a une bouilloire jambe pour contrôler et comprendre pleinement ce processus, principalement en raison de la lenteur croissante de l'ANME. Cette recherche a étudié de nouvelles approches pour contrôler et enrichiront ANME AOM SR et SRB dans le but final de la conception d'un bioréacteur approprié pour AOM SR à la pression ambiante et la température. Ceci a été réalisé en étudiant l'effet de (i) la pression et (ii) l'utilisation de différents composés du soufre comme accepteurs d'électrons sur AOM, (iii) la caractérisation de la communauté microbienne et (iv) L'identification des facteurs contrôlant la croissance des ANME et SRB .Théoriquement, le méthane des pressions partielles élevées favorisent AOM-SR, en plus de méthane sera dissoute et biodisponible. La première approche impliquait l'incubation d'un sédiments marins peu profonds (lac marin Gravelines) sous des gradients de pression. De manière surprenante, la plus haute AOM-SR activité a été obtenue à basse pression (MPa 00:45), montrant l'actif ANME méthane préféré faible disponibilité sur haute pression (10, 20, 40 MPa). Fait intéressant, ook l'abondance et la structure des différents types de ANME et CVN Piloté par pression.En outre, les micro-organismes présents dans les sédiments d'oxydation anaérobie de méthane ont été enrichies avec du méthane en tant que substrat dans le filtre de percolateur (BTF) aux conditions ambiantes. Autres composés de soufre (sulfate, thiosulfate et en soufre élémentaire) ont été utilisés comme accepteurs d'électrons. Quand a été utilisé comme thiosulfate accepteur d'électrons, son dismutation en sulfate et de sulfure a été la conversion de soufre dominant, mais les taux les plus élevés UTILE AOM-SR ont été enregistrés dans ce BTF. Par conséquent, AOM peut être directement couplé à la réduction ou thiosulfate, ou à la réduction du sulfate produit par le thiosulfate de dismutation. De plus, l'utilisation de thiosulfate a déclenché l'enrichissement ou SRB. D'autres termes, on a obtenu le plus haut ou l'enrichissement ANME Lorsque seul le sulfate a été utilisé comme accepteur d'électrons.Dans un BTF avec du sulfate en tant qu'accepteur d'électrons, tous deux ANME et SRB ont été enrichies à partir de sédiments marins et les flux de carbone à l'intérieur des micro-organismes enrichis ont été étudiés par fluorescence in situ échelle hybridation nanomètres spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS Nano-FISH). Les résultats préliminaires montrent l'absorption du méthane par un groupe spécifique de SRB.ANME et SRB adaptée aux conditions de sédiments profonds ont été enrichis dans un BTF à la pression ambiante et de la température. Le BTF est une combinaison bioréacteur de démarrage pour l'enrichissement ou lente des micro-organismes en croissance. De plus, peut être utilisé thiosulfate pour activer les sédiments et enrichir la communauté SRB plus d'enrichir la population stratégie ANME pour obtenir une haute AOM SR et plus rapide taux de croissance ANME et SRB pour les applications futures / Large amounts of methane are generated in marine sediments, but the emission to the atmosphere of this important greenhouse gas is partly controlled by anaerobic oxidation of methane coupled to sulfate reduction (AOM-SR). AOM-SR is mediated by anaerobic methanotrophs (ANME) and sulfate reducing bacteria (SRB). AOM-SR is not only regulating the methane cycle but it can also be applied for the desulfurization of industrial wastewater at the expense of methane as carbon source. However, it has been difficult to control and fully understand this process, mainly due to the slow growing nature of ANME. This research investigated new approaches to control AOM-SR and enrich ANME and SRB with the final purpose of designing a suitable bioreactor for AOM-SR at ambient pressure and temperature. This was achieved by studying the effect of (i) pressure and of (ii) the use of different sulfur compounds as electron acceptors on AOM, (iii) characterizing the microbial community and (iv) identifying the factors controlling the growth of ANME and SRB.Theoretically, elevated methane partial pressures favor AOM-SR, as more methane will be dissolved and bioavailable. The first approach involved the incubation of a shallow marine sediment (marine Lake Grevelingen) under pressure gradients. Surprisingly, the highest AOM-SR activity was obtained at low pressure (0.45 MPa), showing that the active ANME preferred scarce methane availability over high pressure (10, 20, 40 Mpa). Interestingly, also the abundance and structure of the different type of ANME and SRB were steered by pressure.Further, microorganisms from anaerobic methane oxidizing sediments were enriched with methane gas as the substrate in biotrickling filters (BTF) at ambient conditions. Alternative sulfur compounds (sulfate, thiosulfate and elemental sulfur) were used as electron acceptors. When thiosulfate was used as electron acceptor, its disproportionation to sulfate and sulfide was the dominating sulfur conversion, but also the highest AOM-SR rates were registered in this BTF. Therefore, AOM can be directly coupled to the reduction of thiosulfate, or to the reduction of sulfate produced by thiosulfate disproportionation. Moreover, the use of thiosulfate triggered the enrichment of SRB. Differently, the highest enrichment of ANME was obtained when only sulfate was used as electron acceptor.In a BTF with sulfate as electron acceptor, both ANME and SRB were enriched from marine sediment and the carbon fluxes within the enriched microorganisms were studied through fluorescence in-situ hybridization-nanometer scale secondary ion mass spectrometry (FISH-NanoSIMS). Preliminary results showed the uptake of methane by a specific group of SRB.ANME and SRB adapted to deep sediment conditions were enriched in a BTF at ambient pressure and temperature. The BTF is a suitable bioreactor for the enrichment of slow growing microorganisms. Moreover, thiosulfate can be used to activate the sediment and enrich the SRB community to further enrich the ANME population as strategy to obtain high AOM-SR and faster ANME and SRB growth rates for future applications

Le secteur industriel du traitement des déchets génère des émissions gazeuses induisant des nuisances odorantes auprès des populations riveraines des installations. Ces effluents gazeux contiennent une grande diversité de composés volatils : oxygénés (acides gras volatils, cétones, aldéhydes, alcools), azotés et soufrés (hydrogène sulfuré (H2S), diméthylsulfure (DMS), diméthyldisulfure (DMDS) et méthanethiol (MT)). Ces effluents gazeux sont traités par un dispositif approprié que sont les bioprocédés. Néanmoins, les seuils de perception des composés odorants et plus particulièrement ceux des composés soufrés, très bas, obligent à atteindre des efficacités d’abattement particulièrement élevées, faute de quoi le résiduel de concentration peut être à l’origine d’un impact notable sur les populations riveraines. L’objectif de cette étude est donc d’améliorer les performances de ces procédés biologiques par la mise en oeuvre de filières de traitement. L’originalité de ce travail est d’évaluer les performances d’épuration d’un mélange de composés soufrés par la mise en oeuvre du couplage de deux procédés biologiques que sont le lit percolateur et le biofiltre.Le premier résultat de ce travail de thèse a consisté à évaluer l’impact du pH sur l’activité de dégradation de composés soufrés en mélange (H2S, DMS et DMDS) en mettant en oeuvre des microcosmes. La valeur du pH de la phase aqueuse a une influence sur l’efficacité d’élimination des DMS et DMDS. Une élimination complète de ces derniers est observée pour une gamme de pH comprise entre 5 et 7. Les performances de ce couplage ont été comparées avec celles observées dans le cas de biofiltres seuls (dupliquats). Après une phase d’acclimatation, un fonctionnement stable est maintenu en conditions opératoires stationnaires. Les potentialités du couplage ont été mises en évidence, les niveaux d’abattement des DMS et DMDS étant supérieurs (de l’ordre de 20%) pour le couplage de bioprocédés. La composante microbiologique a fait l’objet d’une attention particulière en évaluant les densités de deux populations connues pour dégrader ces composés soufrés (Hyphomicrobium et Thiobacillus thioparus) par q-PCR au sein du biofiltre couplé au filtre percolateur et des biofiltres de référence. Les résultats obtenus mettent en évidence la présence de ces deux populations à des taux élevés (104 copies du gène ADNr-16S/ng ADN extrait pour Thiobacillus thioparus et 104-106 copies du gène ADNr-16S/ng ADN extrait pour Hyphomicrobium). La répartition de ces deux populations est similaire dans les deux cas (couplage et biofiltres seuls).Face à des perturbations représentatives de celles observées sur site, la robustesse du couplage a pu être mise en évidence, les niveaux d’efficacité d’avant les chocs sont récupérés dans un délai inférieur ou égal à 72 heures après l’arrêt de la perturbation. Enfin, une application sur site (équarrissage) a été conduite sur une période de trois mois et a permis de valider les résultats de laboratoire et de montrer l’adaptabilité d’un tel système face à la variabilité d’un effluent réel. / Waste treatment industries generate gaseous emissions that may induce odor annoyance to the surrounding populations. These gaseous effluents contain a large variety of volatile compounds such as oxygenated (volatile fatty acids, ketones, aldehydes and alcohols), nitrogen and sulphur compounds (hydrogen sulphide (H2S), dimethylsulphide (DMS), dimethyldisulfide (DMDS) and methanethiol (MT). These gaseous emissions are controlled by using an adequate system such as biotechniques. Nevertheless, because of their very low odor thresholds, complete elimination of sulphur compounds has to be assessed, as the residual concentration can induce an odorous impact on neighbourhood populations. The aim of this study is to improve these bioprocesses performances by carrying out an adequate system strategy. The originality of this work is to evaluate the removal efficiency of a mixture of sulphur compounds by implementing a combination of two bioprocesses and more precisely a biotrickling filter and biofilter.The first step of this PhD. work consisted of evaluating the pH impact on the biodegradation activity of a mixture of sulphur compounds (H2S, DMS and DMDS) by using microcosms. The pH has an impact on the removal efficiency of DMS and DMDS. The total removal of these compounds is observed for a pH range between 5 and 7. The performances of the coupling have been compared with those reached by implementing control biofilters (duplicated). After an acclimatization period, stable performances are maintained under constant operating conditions. The efficiency of the coupling have been highlighted, the DMS and DMDS abatement levels are superior (around 20%) for the bioprocesses combination.The microbiological component has been investigated within all biofilters by estimating the densities of two populations involved in the biodegradation of sulphur compounds (Hyphomicrobium and Thiobacillus thioparus), by using qPCR. The obtained results highlighted the presence of both populations at high level (104 copies of DNAr-16S gene/ng extracted DNA for Thiobacillus thioparus and 104-106 copies of DNAr-16S gene/ng extracted DNA for Hyphomicrobium). The repartition of these two bacterial populations is similar in both cases (coupling system and reference biofilters). Under transient shock load conditions, the robustness of the coupling has been revealed. The efficiency levels before the shock load are recovered 48 hours after the perturbation off. Finally, the monitoring of an on- site pilot (rendering facility) has been carried out during three months. The laboratory results have been confirmed and the suitability of such a system has been showed under industrial gas variability.

En ville, les parcs de stationnement couverts représentent un milieu confiné dans lequel s'accumule une pollution importante et complexe. Ils constituent également une source de pollution pour leurs abords puisqu'aucune obligation de traitement n'est imposée sur la qualité de l'air rejeté dans l'atmosphère par les systèmes de ventilation. Dans le cadre du traitement de l'air, l'utilisation d'un biofiltre végétalisé, faisant intervenir des bactéries et des plantes en association, constitue une solution innovante contribuant à l'amélioration de la qualité de l'air en ville en réduisant la dispersion de polluants gazeux dans l'atmosphère. Dans un contexte de « recherche et développement », l'objectif est de comprendre le fonctionnement biologique et physico-chimique du biofiltre dans le but d'en améliorer la maitrise opérationnelle. Le caractère innovant de l'étude porte sur le traitement d'importants volumes d'air viciés contenant de faibles concentrations de polluants, tels que les NOx et les COV (de l'ordre de 100 à 200 µg/m3), par un biofiltre planté d'épaisseur modeste. L'utilisation d'une unité pilote de biofiltration a permis d'évaluer l'influence de la présence de plante, ainsi que la nécessité d'un apport d'engrais, sur les capacités d'épuration d'un tel système. Afin d'optimiser les volumes d'air traités tout en limitant l'empreinte au sol des biofiltres végétalisés, la vitesse de passage de l'air a été augmentée et l'épaisseur de garnissage réduite. Le rôle des bactéries indigènes a été caractérisé par une étude fonctionnelle des communautés bactériennes impliquées dans la dégradation des NOx et des TEX d'une part, et par une étude quantitative et qualitative de la communauté bactérienne totale, en utilisant des approches de biologie moléculaire, telles que l'amplification par PCR en temps réel et le pyroséquençage à partir de l'ADN métagénomique / In town, underground car parks are confined spaces in witch large and complex pollution are accumulated. They are also a source of contamination of the external environment since the treatment of the air pumped out by ventilation system sis not regulated. In the framework of air treatment, using planted biofilter, combining bacteria and plants, is an innovative solution contributing to the improvement of urban air quality by reducing the dispersion of gaseous pollutants in the atmosphere. In a « research and development » context, the objective is to understand the biological and physico-chemical operation for improving operational control. This innovative study focuses on the treatment of high volumes of air containing a low concentrations of pollutants, such as NOx, VOCs (about 100 à 200 µg.m-3) through a thin planted biofilter. The use of a pilot-scale unit of biofiltration allowed to evaluate the influence of the plant, as well as the necessity of a fertilization, on the removal efficiency of such a system. In order to maximize the volumes of treated air while limiting the footprint of the planted biofilters, the superficial gas velocity has been increased and the thickness of the packing material decreased. The indigenous bacteria have been characterized by a functional study of the bacterial communities involved in the degradation of NOx and TEX on one part, and by a quantitative and qualitative study of the total bacterial community on the other part, by using molecular biology approaches, such a real-time PCR amplification, and pyrosequencing from metagenomic DNA. Results on pilot-scale unit have shown a removal efficiency greater than 97%, in all environmental conditions tested. Consequently, it seems possible to treat high volumes of air containing low concentrations of TEX through a thin planted biofilter. The presence of plants does not seem to have short-term impacts on the removal efficiency when a fertilizer promotes the nitrogen availability in the packing material. The evaluation of the global microbiological functioning showed the potential of microbial communities in the biodegradation of NOx and TEX in planted biofilters. The indigenous bacterial communities of the packing material and the mound of soil are rapidly able to adapt to the functioning conditions of such a system

Les systèmes de biorétention sont de plus en plus utilisés pour gérer le ruissellement des eaux pluviales urbaines. Bien que les plantes soient une composante essentielle des biorétentions, il existe à ce jour peu de preuves de la contribution des espèces choisies, en particulier dans les climats tempérés à grande variation saisonnière. Aussi, les bactéries et les champignons peuvent jouer un rôle majeur dans la performance des biorétentions en améliorant la qualité de l'eau ou en soutenant l'efficacité des plantes. Mais à ce jour, on sait peu de choses sur les microorganismes peuplant les biorétentions et encore moins sur l'influence des choix de conception de ce système et ses conséquences sur la contribution de ces organismes. D’autre part, en climat froid, l'utilisation de sels de déglaçage génère des ruissellements salins qui pourraient affecter les performances des biorétentions, notamment en impactant les processus biologiques en cours dans le système. Le but de mon étude était de comparer la contribution de la végétation à la performance des biorétentions en fonction de l'espèce plantée, de tester l'impact du ruissellement salin sur l'hydrologie et la filtration des contaminants par le système en fonction des espèces végétales utilisées, et de caractériser l'influence de ces 2 facteurs sur la diversité, la composition et l'abondance relative des bactéries et champignons au sein des biorétentions. J’ai réalisé une expérience en mésocosmes avec 4 espèces végétales couramment utilisées en biorétention et couvrant un large éventail de types biologiques (Cornus sericea, Juncus effusus, Iris versicolor, Sesleria autumnalis). Pour simuler un ruissellement printanier chargé en sel de déglaçage, l'eau de ruissellement semi-synthétique utilisée pour l'irrigation à était complétée au printemps avec quatre concentrations de NaCl (0, 250, 1000 ou 4000 mg Cl/L). Le séquençage des gènes 16S et ITS ont été utilisé comme indicateur de diversité, de composition et d'abondance relative bactérienne et fongique. En général, tous les mésocosmes de biorétention ont significativement réduit les volumes d'eau, les débits de pointe et les charges de contaminants. Certaines plantes améliorent significativement les performances en augmentant la perte d'eau par évapotranspiration pendant la période de croissance (jusqu'à 2,5 fois) et en réduisant le débit d'eau (jusqu'à 2,7 fois). Les plantes ont amélioré l’enlèvement des macronutriments, avec un enlèvement massique moyen de 55 % pour l’Azote total, 81 % pour le Phosphore total et 61 % pour le K, contre -6 % (relargage), 61 % et 22 % respectivement pour les non plantés. À l'exception des Sesleria, l’enlèvement des éléments traces par les mésocosmes plantés était généralement plus élevée que chez les non plantés (jusqu'à 8,7 %). Leur niveau de contribution suivait le même ordre que leur taux d'évapotranspiration et leur taille globale (Cornus > Juncus > Iris > Sesleria). Même à la concentration la plus élevée de NaCl testée, aucun effet sur la réduction du volume d'eau et les débits n'a été détecté. En revanche, le ruissellement chargé en sel a temporairement augmenté l’enlèvement de certains métaux tels que Cr, Ni, Pb et Zn. Dans l’ensemble, les plantes ont très bien toléré le passage du ruissellement chargé de sel au printemps. Tous les mésocosmes ont naturellement été colonisés par des bactéries et des champignons adaptés à un environnement humide et contaminé. Parmi les taxons dominants, plusieurs ont des fonctions en lien avec la performance des biorétentions, telles que l'implication dans le cycle de l'azote, la dégradation des hydrocarbures, la tolérance et la remédiation de métaux, ou des symbiotes végétaux. Ma thèse souligne l'importance du choix des espèces végétales sur la performance des biorétentions. D’une part en raison de leur contribution différentielle à la réduction du volume d'eau, des débits de pointe et l'enlèvement des contaminants, en particulier des macronutriments, et d’autre part à cause de leur influence sur la composition et l’abondance des microorganismes. Même si plusieurs des bactéries et champignons dominants ce système auraient la capacité de contribuer à la performance des biorétentions, d’autres études devront être menées pour vérifier leur activité. Finalement, ma thèse a démontré que la présence de sel de déverglaçage dans le ruissellement ne devrait pas être un frein à la mise en place de cellules de biorétention, puisque qu'aux concentrations habituellement observées à la suite d’épandages, aucun effet négatif sur la performance, la végétation ou les communautés bactérienne et fongique n’a été observé dans la présente thèse. Cependant, la libération des cations structurants du sol et l’exfiltration du sels devrait être faire l’objet d’un suivi à plus long terme. Bien que ces expériences aient permis d'analyser l'effet des espèces végétales et des sels de déverglaçage sur la réduction du volume d'eau, des débits de pointe, l’enlèvement des contaminants, et les micro-organismes, l'extrapolation de ces résultats à grande échelle doit être effectuée avec prudence. En effet, les mésocosmes sont des systèmes artificiels qui ne reproduisent pas entièrement les conditions réelles des biorétentions à grande échelle, notamment en ce qui concerne les températures hivernales inférieures à zéro, et ne sont étudiés qu’un lapse de temps. Aussi, les biorétentions réelles sont rarement plantées en monoculture, de sorte que les interactions entre les espèces végétales et les microorganismes pourraient influencer la performance du système. Pour une application réussie des conclusions de cette étude à l'échelle pratique, il serait essentiel que des projets pilotes valident ces résultats. / Bioretention systems are increasingly used to manage urban stormwater runoff. Plants are an essential component of bioretention, improving water quality and reducing runoff volume and peak flows. Although plants are an essential component of bioretentions, there is little evidence on how their contribution changes according to the species chosen, especially in temperate climates with large seasonal variations. In addition, bacteria and fungi could play a major role in bioretention performance by improving water quality or supporting plant efficiency. But to date, little is known about the microorganisms living in bioretentions and even less about the influence of the design choices of this system and therefore its consequences on the contribution of these organisms. In cold climates, the use of de-icing salts generates saline runoff which could affect the bioretentions performance, especially by reducing biological processes. The aim of my study was to compare the contribution of vegetation to the performance of bioretentions according to the species planted, to test the impact of saline runoff on the hydrology and the filtration of contaminants by the system according to the plant species used, and to characterize the influence of these 2 factors on the diversity, composition and relative abundance of bacteria and fungi within bioretentions. I performed a mesocosm experiment with 4 plant species commonly used in bioretention and covering a wide range of biological types (Cornus sericea, Juncus effusus, Iris versicolor, Sesleria autumnalis). To simulate spring salt-laden runoffs, the semi-synthetic runoff water used for irrigation was supplemented in spring with four concentrations of NaCl (0, 250, 1000 or 4000 mg Cl/L). Sequencing of 16S and ITS genes was used as bacterial and fungal diversity, composition and relative abondance indicator. In general, all bioretention mesocosms significantly reduced water volumes, peak flows, and contaminant loads. Some plants significantly increased the performances, by increasing water loss through evapotranspiration during the growing period (up to 2.5 times) and reducing water flow (up to 2.7 times). Plants improved macronutrients removal, with an average mass removal of 55% for total nitrogen, 81% for total phosphorus and 61% for K compared to –6% (release), 61% and 22% respectively for the unplanted. Except for Sesleria, mass removal of trace elements in planted mesocosms was generally higher than in unplanted ones (up to 8.7%). Their contribution level followed the same order as their evapotranspiration rate and overall size (Cornus > Juncus > Iris > Sesleria). Even at the highest concentration of NaCl tested, no impact on water volume reduction and flow rates were detected. In contrast, salt-laden runoffs temporarily increased removal of some metals such as Cr, Ni, Pb, and Zn. Overall, the plants tolerated the passage of salt runoff in spring. All bioretention mesocosms were naturally colonized by bacteria and fungi adapted to a humid and contaminated environment. Among the dominant taxa, several described functions related to the bioretention performances, such as involvement in the nitrogen cycle, the degradation of hydrocarbons, the tolerance and remediation of metals, or plant symbionts. My thesis emphasizes the importance of the plant species choice on the bioretentions performance. firstly because of their differential contribution to the water volume reduction, peak flows, and the contaminants removal, in particular macronutrients, secondly through their influence on the composition and abundance of microorganisms. Even though several of the dominant bacteria and fungi found would have the ability to contribute to the performance of bioretentions, further studies will be needed to verify their activity. Finally, my thesis demonstrated that the presence of de-icing salt in the runoff should not be a hindrance to the bioretention cells implementation, since at concentrations usually observed following salt spreading, no negative effect on the bioretentions performance, on the vegetation or the bacterial and fungal communities were observed in this thesis. However, the release of soil-structuring cations as well as salts exfiltration should be monitored in the longer term. Although these experiments allowed for the analysis of the effect of plant species and de-icing salts on the reduction of water volume, peak flow rates, contaminant removal, and microorganisms, the extrapolation of these results to a larger scale must be done with caution. Despite the advantage of characterizing the performance of bioretention in mesocosms in terms of replication and factor control, it is important to recognize that this approach also has its limitations. Mesocosms are artificial systems that do not fully replicate the real-world conditions of large-scale bioretention, especially concerning sub-zero winter temperatures and the limited time frame of study. The size of the mesocosms could lead to edge effects, such as preferential flows, while real-world scenarios involve slopes that create heterogeneous conditions within these basins, influencing factors like frequency and quantity of water received. Additionally, real bioretention systems are seldom planted as monocultures, thus interactions between plant species and microorganisms may impact system performance. For successful implementation of the findings of this study on a practical scale, validation through pilot projects would be essential.