La fermentation sombre est un procédé utilisant des déchets organiques dont le passage à l'échelle pilote est limité par les rendements de production d'hydrogène trop faibles ainsi que par l'utilisation des sous-produits. Cette étude a pour premier objectif d'étudier l'effet du pH, de la combinaison du pH et de la concentration en substrat, du prétraitement du substrat et de l'adaptation de l'inoculum sur la fermentation sombre de trois types de déchet différents. Il a notamment été montré que la biodégradabilité des substrats joue un rôle majeur dans le choix des paramètres opérationnels utilisés pour optimiser la production d'hydrogène. De plus, la faisabilité et la stabilité à long terme de la production d'hydrogène par le procédé de fermentation sombre ont été mises en évidence en utilisant des déchets agroalimentaires et du petit lait dans deux réacteurs thermophiliques fonctionnant en mode semi-continu. En particulier, il a été discuté l'influence de la charge organique (OLR), du temps de rétention hydraulique (HRT) et de l'addition de co-substrats (fumier de buffle) comme source d'alcalinité. Cette étude a montré que la combinaison de ces trois paramètres peut jouer un rôle important sur le pH et la stabilité de la production d'hydrogène. De plus, les sous-produits de la fermentation sombre ont été utilisés pour produire de l'hydrogène via la photo-fermentation, alors que les déchets générés par le couplage de la fermentation sombre et de la photo-fermentation ont été valorisés pour la production de méthane par digestion anaérobie. Ce concept de bioraffinerie basé sur la conversion en trois étapes des déchets agroalimentaires augmente le rendement énergétique global du procédé. Par ailleurs, il a été montré le potentiel important du procédé de photo-fermentation pour la production de polyhydroxybutyrate (polymère), parallèlement à celle d'hydrogène. De même, l'utilisation de la fermentation par voie sèche dans une bioraffinerie concept apparaît prometteuse vis à vis de la production de bioénergie et de molécules telles que les acides organiques et les alcools / Low biohydrogen (H2) yields and use of process by-products from dark fermentation (DF) of waste biomass is limiting its scaled-up application. This study aims to investigate the effects of culture pH, combination of substrate concentration and culture pH, pre-treatment of substrate and inoculum adaptation in H2 yields during the DF of three different wastes biomass. The study showed that the biodegradability of the substrates is important for the selection and application of optimum operational parameters aimed at enhancing H2 production. Moreover, long-term operational feasibility and stability of dark fermentative H2 production was demostrated using food waste and cheese whey in two semi-continuous thermophilic DF reactors. The effect of organic loading rates (OLRs), hydraulic retention times (HRTs) and co-substrates (buffalo manure) addition as a source of alkalinity on culture pH and H2 production stability was discussed. The study showed that combination of OLR, HRT and co-substrate addition could play an important role in the culture pH and stability of H2 production. Furthermore, the by-products of DF process was utilized for H2 production via photo fermentation (PF), while the waste stream generated from coupling of DF and PF processes was converted to methane in anaerobic digestion (AD). The three-step conversion of food waste in a biorefinery concept increased the total energy yields. Moreover, PF also showed a good potential for concomitant production of H2 and polyhydroxybutyrate (biopolymer). Likewise, dry fermentation could be promising to a biorefinery concept based on waste biomass for the production of bioenergy and biochemicals (organic acids and alcohols)

La méthanisation par voie sèche possède différents avantages par rapport à la méthanisation par voie humide. Les réacteurs sont plus petits, les besoins en eau sont moindres, la production de digestat et le prétraitement nécessaire sont également moins importants. Cependant, plusieurs études ont démontré que l'eau favorise l'hydrolyse du substrat et permet le transport des sous-produits d'hydrolyse et des nutriments vers les bactéries. Pour mieux comprendre le rôle de l'eau lors de la méthanisation, des tests de digestion sèche et semi-sèche à partir de substrats organiques complexes (déchets alimentaires, paille de riz, déchets de carotte), avec différentes teneurs en matière sèche de substrat traité ont été réalisées. Les résultats confirment que l'eau joue un rôle essentiel sur le taux de production spécifique de méthane, le rendement final de méthane généré et la dégradation de la matière volatile sèche (MVS). Le rendement final de méthane produit dans des conditions semi-sèches et sèches est respectivement de 51% et de 59% inférieur avec la paille de riz et 4% et 41% de moins pour les déchets alimentaires en comparaison avec des conditions humides. Des tests d'inhibition basés sur l'analyse des acides gras volatils (AGV) ont été menées pour étudier les processus d'inhibition spécifiques qui ont lieu avec les substrats sélectionnés à différentes teneurs en matière sèche. Pour le cas de la méthanisation par voie humide des déchets de carotte, aucune accumulation d'AGV a été trouvé, et toutes les concentrations d'AGV étaient inférieurs aux seuils d'inhibition. Une corrélation directe entre la teneur en matière sèche et la concentration totale d'AGV (AGVtot) a été mise en évidence pour la paille de riz et les déchets alimentaires. Pour la paille de riz, une concentration d'AGVtot maximale de 2,1 g / kg a été trouvé pour la voie sèche, 1 g / kg dans les conditions semi-sèche et 0,2 g / kg dans les conditions humides, alors que pour les déchets alimentaires la concentration d'AGVtot était de 10 g / kg à l'état sec, 9 g / kg dans les conditions semi-sèche et 3 g / kg dans les conditions humides. Un modèle mathématique de la méthanisation de substrats organiques complexes dans des conditions sèches et semi-sèche a été proposé pour simuler l'effet de la teneur en matière sèche sur le processus. Les données obtenues à partir d'expériences en mode batch, en termes de production de méthane et de concentration d'AGV, ont été utilisées pour calibrer le modèle proposé. Les paramètres cinétiques de production et d'élimination d'AGV ont été calibrés à l'aide des données expérimentales, et il a été montré qu'ils sont fortement dépendants de la teneur en matière sèche et différent des valeurs de la littérature concernant la méthanisation par voie humide. Cela est dû à l'accumulation d'AGV dans les conditions sèches, ce qui implique d'utiliser des valeurs plus élevées concernant les constantes d'inhibition introduites dans le modèle. Enfin, comme la méthanisation par voie sèche a généralement lieu dans des réacteurs à écoulement piston, une étude historique et critique de la littérature concernant la compréhension du rôle de l'hydrodynamique dans des bioréacteurs à écoulement piston a été réalisée / Dry Anaerobic Digestion (AD) presents different advantages if compared to wet AD, i.e. smaller reactor size, lesser water addition, digestate production and pretreatment needed, although several studies have demonstrated that water promotes substrate hydrolysis and enables the transfer of process intermediates and nutrients to bacterial sites. To better understand the role of water on AD, dry and semidry digestion tests of selected complex organic substrates (food waste, rice straw, carrot waste), with various TS contents of the treated biomass have been carried out in the present study. The results confirm that water plays an essential role on the specific methane production rate, final methane yield and Volatile Solids (VS) degradation. The final methane yield in semi-dry and dry conditions was 51% and 59% lower for rice straw and 4% and 41% lower for food waste, respectively, if compared with wet conditions. Inhibition tests, based on Volatile Fatty Acid (VFA) analysis, were carried out to investigate the specific inhibition processes that take place with the selected substrates at different TS contents. In wet AD of carrot waste no VFA accumulation was found, and all VFA concentrations were lower than the inhibition limits. A direct correlation between TS content and total VFA (TVFA) concentration was noticed for rice straw and food waste AD. For rice straw a maximum TVFA concentration of 2.1 g/kg was found in dry condition, 1 g/kg in semidry conditions and 0.2 g/kg in wet conditions, whereas for food waste the TVFA concentration was 10 g/kg in dry condition, 9 g/kg in semidry conditions and 3 g/kg in wet conditions. A Mathematical model of complex organic substrate AD in dry and semidry conditions has been proposed to simulate the effect of TS content on the process. The data obtained from batch experiments, in terms of methane production and VFA concentrations, were used to calibrate the proposed model. The kinetic parameters of VFA production and degradation, calibrated using the experimental data, resulted highly dependent on the TS content and different from wet AD literature values. This is due to VFA accumulation in dry conditions, which implies higher values of the inhibition factors introduced in the model. Finally, as dry AD takes usually place in Plug Flow (PF) reactors, an historical and critical review on the role of hydrodynamics in PF bioreactors has been carried out

Avec 67 Mt de fumiers de bovins récupérés chaque année, la France possède un gisement considérable de substrats agricoles mobilisables et valorisables par méthanisation. Le procédé de méthanisation par voie sèche, discontinu, avec recirculation de lixiviat semble être le mieux adapté à la valorisation de ce type de substrats à forte teneur en matière sèche (>20%). A l’heure actuelle, ce procédé est cependant rare sur le territoire. Afin de permettre et de pérenniser le développement de cette technologie, des verrous techniques et scientifiques doivent être levés, notamment ceux qui portent sur la recirculation des lixiviats. L’objectif de cette thèse est d’optimiser le procédé de méthanisation par voie sèche appliquée aux effluents agricoles (principalement fumiers de bovins), afin d’atteindre les conditions les plus favorables à la production d’un maximum de biogaz, de façon constante et en un minimum de temps en considérant les contraintes relatives à un tel procédé. Dans un premier temps, l’objectif a été de comprendre le rôle du lixiviat dans ce procédé de digestion anaérobie discontinu, d’un point de vue biologique. Pour se faire quatre lixiviats ayant différentes origines ont été utilisés. Deux d’entre eux étaient biologiquement actifs (lixiviats provenant de méthaniseurs) et les deux autres stérilisés. Du point de vue abiotique, il a été montré que pour favoriser la digestion anaérobie, le lixiviat devait avoir un pH adéquat, présenter une concentration suffisante de nutriments et un fort pouvoir tampon. D’un point de vue biotique, deux communautés distinctes de microorganismes évoluent dans le lixiviat et dans le fumier, sans aucun transfert entre ces deux environnements, limitant ainsi le rôle d’inoculation souvent attribué au lixiviat. Dans un deuxième temps, la réalisation d’un plan d’expérience a permis d’identifier, au laboratoire sur pilotes instrumentés, des paramètres de recirculation du lixiviat qui influencent les vitesses de production de méthane. Ainsi, le temps entre les recirculations, le volume recirculé et le ratio lixiviat/substrat initialement introduit jouent sur la forme des cinétiques de production. En actionnant l’un ou l’autre de ces leviers, il serait potentiellement possible d’adapter la production de méthane, en fonction des besoins des systèmes de valorisation du biogaz en place sur ces installations. Enfin, la méthode de tomographie de résistivité électrique a été utilisée, à grande échelle, pour suivre la percolation du lixiviat à travers le massif et mettre en évidence les disparités de distribution du lixiviat dans le massif. Cette étude a montré que la géométrie du réseau de recirculation du lixiviat, consistant en un tuyau perforé parcourant la surface du massif dans le sens de la longueur, ne permettait pas un écoulement homogène du lixiviat dans les digesteurs. Certaines zones n’ayant jamais été humidifiées, la production de méthane se trouve réduite et les rendements amoindris. Cette thèse s’articule autour de plusieurs analyses multi-échelles et complémentaires permettant de mieux comprendre le rôle du lixiviat, d’améliorer sa mise en œuvre et son utilisation pour la digestion anaérobie des fumiers de bovins. / With 67 Mt of cattle manure recovered every year, France has a significant source of agricultural waste to be valorised through anaerobic digestion. Batch mode solid state anaerobic digestion (SSAD) process with leachate recirculation seems to be the most suitable technique to valorise that kind of waste, which contains high total solid content (>20%). Currently, this process is rare on French territory. To develop batch mode SSAD, various technical and scientific barriers must be straightened out, and particularly those concerning leachate recirculation. The objective of this work is to optimize SSAD of agricultural was (mostly cattle manure) by pointing out the most favorable settings that allow producing high volumes of biogas, steadily and within a short time, taking into account the particular technical constraints of this process. First of all, the objective was to better understand the biological role of leachate in the batch mode SSAD process. For that purpose, four leachates with different origins were used. Two of them were biologically active (from existing digesters) while the two others were sterilized. It was demonstrated an effective anaerobic digestion was favored by using a leachate gathering the following abiotic characteristics: an adequate pH, a strong buffer capacity and the presence of the right concentration of nutrients. From the biotic point of view, dedicated communities of microbes were in progress in each liquid and solid environment with nested relationship. The role of leachate as inoculum was then limited. In a second part, the influent parameters of leachate recirculation were identified at laboratory scale, by setting up a design of experiment. It was found that the elapsed time between two recirculations, the recirculated volume of leachate and the initial leachate to substrate ratio introduced in the reactor could modify the shape of methane production rate. By changing one or several of those parameters, it would be possible to control and adapt methane production rate to the specific constraints of one SSAD plant. In the last part, the Electrical Resistivity Tomography (ERT) method was used, at full scale, to monitor the leachate percolation through the solid waste and highlight leachate distribution disparities. It was shown the leachate injection system consisting of a perforated pipe laying on the solid top surface was not efficient to evenly moisten the solid waste. From that observation, it was concluded that cumulated methane production could be improved if areas that were not in contact with leachate could be moistened by using another leachate injection system. This manuscript was based on several multi-scale and complementary analyses that allow a better understanding of the role of leachate during SSAD process and an improvement of its utilization for the anaerobic digestion of cattle manure.

La digestion anaérobie, procédé d’énergie renouvelable, constitue un atout indéniable de récupération des flux matière et énergie des déchets en réponse aux enjeux du développement durable. Ainsi, la présente étude a pour objectif de contribuer à la compréhension des mécanismes qui gouvernent l’environnement réactionnel de digestion en anaérobie et les effets des digestats sur la matrice bio-physico-chimique des sols à vocation agricole. Le développement des tests de lixiviation en réacteurs contrôlés aérobie et anaérobie, les modes de mobilisation du contenu organo-minéral des substrats et la valorisation du biogaz pour l’équarrissage des bêtes ont été réalisés. Les verrous techniques et physico-chimiques entachant la digestion anaérobie des déchets d’ananas ont été levés et optimisés grâce à des co-substrats notamment les bouses de vache et les cendres. Les digestats ont été apportés sur des sols agricoles, des sols des zones de forêts et des milieux sans matière organique ni argiles et ont permis de déceler les limites d’utilisation des digestats et les interactions avec les fractions organiques et minérales du sol. Cette étude montre ainsi, l’importance de développer la filière de méthanisation pour une élimination durable des déchets organiques. / Anaerobic digestion, a renewal energy process, constitutes an undeniable asset of material and energy flows recovering in response to sustainable development issues. Thus, the aim of this current study was to contribute to the understanding of mechanisms that govern the reactive environment of anaerobic digestion and the effects of digestates on the biophysico- chemical matrix of agricultural soils sector. The running of leaching tests in aerobic and anaerobic controlled reactors, organo-mineral mobilizations patterns of the substrates and the valorization of biogas in slaughtered animals knackering have been realized. The physicochemical and technical locks tarnishing the pineapple wastes anaerobic digestion have been lifted and optimized through the co-substrates including cattle manure and ashes. The digestates have been brought on agricultural soils, forests areas soils and medium free of organic matter and clays and allowed to detect the limits of digestates uses and the interactions with organic and mineral fractions of soils. This study, thus show, the importance to develop the anaerobic digestion sector for a sustainable removal of organic wastes.

La production de biogaz par digestion anaérobie (DA) est une technologie renouvelable de longue date et un bioprocessus en croissance continue. Les matériaux lignocellulosiques (ML) présentent plusieurs caractéristiques qui les rendent particulièrement attrayants parmi les substrats couramment employés dans les bioréacteurs anaérobies. En particulier, les ML sous la forme de résidus agricoles ont été reconnus comme la matière première la plus appropriée pour la production de biométhane en raison de leur haute disponibilité, de leur faible coût, de leur durabilité et de leur absence de concurrence directe avec la production alimentaire. Cependant, leur récurrence à la conversion biologique entrave leur application pour la production à grande échelle de biogaz et nécessite une étape de prétraitement pour améliorer la dégradabilité microbienne. En plus des défis posés par la structure lignocellulosique, la fourniture de oligo-éléments (OE) a souvent été jugée insuffisante dans les digesteurs de biogaz. La croissance microbienne dépend de la disponibilité et de la quantité optimale de plusieurs OE spécifiques, constituants essentiels des cofacteurs dans les systèmes enzymatiques impliqués dans la biochimie de la formation de méthane. Différents prétraitements chimiques, à savoir le N-méthylmorpholine-N-oxyde (NMMO), le procédé organosolv et un prétraitement alcalin à l'aide de NaOH ont été étudiés pendant plusieurs expériences en lots pour améliorer les rendements de production de biogaz différents peau, coquille de fève de cacao et paille de blé). Les changements dans la cristallinité de la cellulose, la valeur de rétention d'eau et la composition chimique ont été évalués pour mieux évaluer l'effet des différents prétraitements étudiés sur la structure lignocellulosique. En outre, l'addition de différentes doses de Fe, Co, Ni et Se sur la DA de paille de riz a été étudiée, évaluant l'influence de l'origine de l'inoculum, ainsi que la performance et l'effet synergique de la combinaison d'un prétraitement alcalin avec addition de trace éléments avant la DA de paille de riz. La biodisponibilité des OE lors des tests de potentiel de biométhane par lots a également été évaluée en appliquant une technique d'extraction séquentielle. Les trois prétraitements étudiés étaient des méthodes efficaces pour améliorer la production de biométhane à partir des LM utilisées. Le rendement en biométhane de la DA de paille de riz a augmenté de 82 et 41% respectivement après le NMMO et le prétraitement organosolv. Comparé à la même expérience, le prétraitement NMMO, organosolv et NaOH a permis d'améliorer la DA de la paille de blé, ce qui affecte différemment la composition chimique de la LM brute. Le rendement cumulatif de production de biométhane de 274 mL de CH4/g VS obtenu avec la paille de blé non traitée a été augmenté de 11% par le prétraitement du NMMO et de 15% par le prétraitement organosolv et alcalin. Les coquilles de noisettes et de fèves de cacao, qui n'avaient jamais été étudiées auparavant comme substrats AD, présentaient un bon potentiel de production de biogaz, avec des rendements cumulatifs de biométhane respectivement de 223-261 et 199-231 mL CH4/g VS pour les charges non traitées. Cependant, les prétraitements à la fois de NMMO et d'organosolv n'ont pas conduit à une amélioration significative des rendements de production de biométhane de ces deux LM. La supplémentation des OE n'a eu qu'un effet mineur par rapport aux méthodes de prétraitement. L'ajout de Fe, Co, Ni et Se n'a pas entraîné d'amélioration significative de la DA de paille de riz, alors que l'utilisation du prétraitement de NaOH au cours de la même expérimentation a provoqué une augmentation considérable de la DA, augmentant la production de biogaz de 21%. L'effet négligeable observé après la supplémentation des OE sur la paille de riz pourrait être lié à sa structure lignocellulosique complexe qui nécessite une amélioration de l'hydrolyse qui est l'étape limitante / Biogas production via anaerobic digestion (AD) is a long-standing renewable technology and a continuously growing bioprocess worldwide. Lignocellulosic materials (LMs) present several features that make them especially attractive among the organic substrates commonly employed in anaerobic bioreactors. In particular, LMs under the form of agricultural residues have been acknowledged as the most suitable feedstock for biomethane production due to their high availability, low cost, sustainability and no direct competition with food and feed production. However, their recalcitrance to biological conversion hinders their application for full-scale production of biogas and requires a pretreatment step to improve the LM microbial degradability. In addition to the challenges posed by the lignocellulosic structure, the supply of trace elements (TEs) has often been found insufficient within biogas digesters. The microbial growth depends on the availability and optimal amount of several specific TEs, which are essential constituents of cofactors in enzyme systems involved in the biochemistry of methane formation. Different chemical pretreatments, namely the solvent N-methylmorpholine-N-oxide (NMMO), the organosolv process, and an alkaline pretreatment using NaOH, were investigated during several batch experiments to enhance the biogas production yields from different LMs (i.e. rice straw, hazelnut skin, cocoa bean shell and wheat straw). Changes in the cellulose crystallinity, water retention value and chemical composition were assessed to better evaluate the effect of the different pretreatments studied on the lignocellulosic structure. Furthermore, the addition of different doses of Fe, Co, Ni and Se on the AD of rice straw was studied, evaluating the influence of the inoculum origin, as well as the performance and synergistic effect of combining an alkaline pretreatment with the addition of trace elements prior to the AD of rice straw. The bioavailability of TEs during batch biomethane potential tests was also evaluated applying a sequential extraction technique. The three pretreatments investigated were effective methods for enhancing the biomethane production from the employed LMs. The biomethane yield from the AD of rice straw increased by 82 and 41% after the NMMO and organosolv pretreatment, respectively. When compared within the same experiment, the NMMO, organosolv and NaOH pretreatment were able to improve the AD of wheat straw, differently affecting the chemical composition of the raw LM. The cumulative biomethane production yield of 274 mL CH4/g VS obtained with the untreated wheat straw was enhanced by 11% by the NMMO pretreatment and by 15% by both the organosolv and alkaline pretreatment. Hazelnut skin and cocoa bean shell, which were never investigated before as AD substrates, showed a good potential for biogas production, with cumulative biomethane yields of 223-261 and 199-231 mL CH4/g VS, respectively, for the untreated feedstocks. However, both NMMO and organosolv pretreatments did not lead to a significant enhancement of the biomethane production yields from these two LMs. The TE supplementation had only a minor effect compared to the pretreatment methods. The addition of Fe, Co, Ni and Se did not result in a significant improvement of the AD of rice straw, whereas the use of the NaOH pretreatment, during the same batch experiment, caused a considerable enhancement of the AD, increasing the biogas production yield by 21%. The negligible effect observed after TE supplementation on the AD of rice straw could be linked to its complex lignocellulosic structure, which requires an enhancement of the hydrolysis, which, rather than the methanogenesis, is the rate-limiting step

L'industrie des abattoirs fait face à des restrictions législatives concernant la disposition de leurs résidus. Étant donné que le marché des farines animales est à la baisse, les coûts de transport et de traitement, imposés par les équarrisseurs aux abattoirs, varient de façon imprévisible. Pour certains abattoirs, les coûts de disposition ont été tels, qu'ils sont intéressés à gérer leurs propres déchets. Quoique peu utilisée pour le traitement des résidus d'abattoir, la digestion anaérobie s'avère une alternative intéressante pour cette industrie. Ces déchets offrent un potentiel énergétique élevé grâce à leur teneur importante de lipides. Néanmoins, les lipides et les protéines sont potentiellement inhibiteurs des microorganismes anaérobies. L'objectif principal de cette thèse a été de mettre au point un procédé CSTR de digestion anaérobie des résidus d'abattoir afin d'optimiser le rendement énergétique. Cette étude à permis de mieux caractériser le substrat pour enrichir l'information disponible dans la littérature, de déceler des indicateurs d'inhibition, de trouver des critères de dimensionnement et de vérifier l'applicabilité du model ADM1 à la digestion des résidus d'abattoir. Cinq expériences ont été réalisées avec des réacteurs CSTR. Trois temps de rétention hydraulique, TRH, et quatre concentrations différentes du substrat d'alimentation, S0, ont été testés. Des résidus d'abattoir de veaux de lait (78% de viscères et 22% de sang) ont été utilisés comme substrat d'alimentation. Les résultats démontrent que des TRH longs et des charges inférieures à 0,5 kgLipides/m3·j permettent d'obtenir une performance d'épuration maximale. Pour déceler des effets d'inhibition, l'acide palmitique peut être utilisé comme l'indicateur le plus important. Le TRH semble influencer la robustesse et la performance d'épuration face à l'inhibition. L'applica-bilité de l'ADM1 pour ce type de résidus a été vérifiée. L'ADM1 a été adapté pour inclure des nouvelles fonctions d'inhibition (compétitive et non compétitive). Les modifications réa-lisées à ce modèle ont permis d'obtenir des prédictions satisfaisantes. Les résidus d'abattoir se sont avérés un substrat idéal pour la bio-méthanisation. Cepen-dant, ces procédés exigent des conditions d'opération strictes. Des procèdes anaérobies favorisant la rétention de la biomasse et une meilleure adaptation de l'ADM1 sont des études qui favoriseront le développement de cette filière.

"Thèse en cotutelle pour le doctorat en génie des eaux Université Laval Québec et Ghent University à Ghent, Belgique" / La prise de conscience croissante de l’épuisement des ressources naturelles, la demande croissante de nutriments et d’énergie pour la production alimentaire et les normes de plus en plus strictes de décharge des nutriments et de fertilisation, ont donné lieu à une attention accrue pour la récupération des nutriments à partir des déchets municipaux et agricoles. Cette thèse de doctorat vise à stimuler la transition vers une bio-économie en fournissant des (moyens à développer des) stratégies durables pour la récupération des nutriments à partir des déchets organiques après la production de bio-énergie par la digestion anaérobie. Une attention particulière est accordée à la valorisation des produits récupérés comme substituts renouvelables aux engrais chimiques et/ou comme engrais organo-minéraux durables dans l'agriculture. Trois phases de recherche complémentaires ont été exécutées: 1) l'inventaire des technologies et la classification des produits, 2) l'évaluation de la valeur des produits, 3) la modélisation et l’optimisation des procédés. Dans la première phase, une revue systématique des technologies et une classification des produits ont été réalisées. Dans la seconde phase, la caractérisation des produits et des analyses de bilan de masse dans des stations de récupération des ressources de l’eau et des déchets (StaRRED) à grande échelle ont été exécutées. Une évaluation économique et écologique de différents scénarios de bio-fertilisation a été menée et les scénarios les plus durables ont été sélectionnés pour une évaluation agronomique réalisée ultérieurement sur le terrain et à l'échelle de la serre. Dans la troisième phase, une librairie générique de modèles pour la récupération des nutriments a été élaborée visant à modéliser la quantité et la qualité d'engrais. Une meilleure compréhension de la performance et des interactions des processus unitaires a été obtenue par des analyses de sensibilité globale. Les modèles ont été utilisés avec succès comme un outil pour la configuration et l'optimisation des chaînes de traitement. Sur la base de toutes les connaissances acquises, une feuille de route générique pour la mise en place des stratégies de récupération des nutriments en fonction des marchés et des législations des engrais, et de la caractérisation des déchets a été développée. En tant que telle, la présente thèse développe les concepts de fermeture maximale des cycles des nutriments dans une approche du berceau-au-berceau. Le travail apporte des preuves importantes de l'impact positif des produits récupérés sur l'économie, l'agronomie et l'écologie de la production végétale intensive. En outre, cette thèse offre des informations et des outils fondamentaux pour faciliter la mise en œuvre et l'optimisation des stratégies durables de récupération des nutriments. Ces résultats ouvrent de nouvelles possibilités pour une croissance économique durable axée sur les ressources biologiques et créent ainsi une situation gagnant-gagnant pour l'environnement, la société et l'économie en Belgique, au Canada, et au-delà. / The increasing awareness of natural resource depletion, the increasing demand of nutrients and energy for food production, and the more and more stringent nutrient discharge and fertilization levels, have resulted in an increased attention for nutrient recovery from municipal and agricultural wastes. This PhD dissertation aims at stimulating the transition to a bio-based economy by providing (tools to develop) sustainable strategies for nutrient recovery from organic wastes following bio-energy production through anaerobic digestion (= bio-digestion waste). Particular attention is paid to the valorization of the recovered products as renewable substitutes for chemical fertilizers and/or as sustainable organo-mineral fertilizers in agriculture. Three complementary research phases were conducted: 1) technology inventory and product classification, 2) product value evaluation, 3) process modelling and optimization. In the first phase, a systematic technology review and product classification was performed. In phase 2, product characterizations and mass balance analyses at full-scale waste(water) resource recovery facilities (WRRFs) were executed. An economic and ecological evaluation of different bio-based fertilization scenarios was conducted and the most sustainable scenarios were selected for subsequent agronomic evaluation at field and greenhouse scale. In phase 3, a generic nutrient recovery model library was developed aiming at fertilizer quantity and quality as model outputs. Increased insights in unit process performance and interactions were obtained through global sensitivity analyses. The models were successfully used as a tool for treatment train configuration and optimization. Based on all acquired knowledge, a generic roadmap for setting up nutrient recovery strategies as function of fertilizer markets, legislations, and waste characterization was established. As such, the present dissertation further develops the concepts of maximally closing nutrient cycles in a cradle-to-cradle approach. The work reveals important evidence of the positive impact of recovered products on the economy, agronomy, and ecology of intensive plant production. Moreover, it provides the fundamental information and tools to facilitate the implementation and optimization of sustainable nutrient recovery strategies. All of this may open up new opportunities for sustainable and more bio-based economic growth and thus create a win-win situation for the environment, the society, and the economy in Belgium, Canada, and beyond.

Hydrogen production by anaerobic digestion is considered as one of tomorrow's clean energy source. Swine manure is also a big concern but as a problematic waste, a waste that could eventually be degraded by anaerobic digestion. The goal of this study was to combine these two subjects and design, operate, study and optimize an anaerobic reactor that could use a substrate with a heavy load of proteins like swine manure. To achieve these objectives, two experimental campaigns in an upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASB) as weIl as an activity test campaign in bottles were conducted on granular sludge that was thermally pre-treated. The effects of teinperature, hydraulic retenti on time, pH and the use of a citrate buffer on the productivity of hydrogen and other metabolic by-products where monitored. Temperature of 55 °C gave better results (1.85 L H2·(d·Lyl)⁻¹) than 35 °C (0.078 L H2·(d·Lyl)⁻¹) and pH 5 (3.3 L H2·(d·Lyl)⁻¹) was preferable to pH 4.5 (1.75 L H2·(d·Lyl)⁻¹) and 5.5 (2.5 L H2·(d·Lyl)⁻¹) at 55 °C. A major production of lactic acid was also measured and showed up to be a major problem that influenced negatively hydrogen productivity and yield. It was also deterrnined that a citric acid buffer was inefficient and could easily be degraded at 35 °C. FinaIly, a pH 10 choc treatment improved hydrogen productivity by 50% to reach a maximum average of 3.49 L H2·(d·Lyl⁻¹) on the day that followed the recovery of the system.

La digestion anaérobie est un moyen de traitement des déchets solides produisant de l'énergie sous forme de biogaz (méthane et dioxyde de carbone). L'optimisation de la production de méthane passe par une sélection des déchets à fort potentiel méthane. Actuellement, la mesure du potentiel méthane est réalisée par le test BMP (Biochemical Methane Potential), qui repose sur une fermentation pouvant durer plus de 30 jours, ce qui est trop long pour une installation industrielle. Une méthode rapide de détermination du potentiel méthane est donc nécessaire. Le BMP est lié uniquement à la quantité et à la qualité de la matière organique. Cette méthode doit donc réaliser une analyse globale et rapide de la matière organique. L'objectif de la thèse a été d'identifier et d'étudier une méthode rapide d'analyse de la matière organique de déchets solides permettent de prédire le potentiel méthane. Suite au travail bibliographique, la spectroscopie proche infrarouge s'est révélée la méthode la plus appropriée: analyse globale et rapide, non destructive, préparation d'échantillon réduite, possibilité d'utiliser des fibres optiques pour déporter la mesure. Nous avons ensuite étudié des étalonnages pour prédire le potentiel méthane d'un ensemble homogène de 74 déchets. Un coefficient de corrélation de 0,76 et un écart standard de prédiction (RMSEP) de 28 ml CH4.g-1 MV ont été obtenus. Ensuite, les coefficients du modèle ont été analysés par rapport aux molécules présentes et rapprochés des variables sélectionnées par algorithme génétique afin de valider ce modèle d'un point de vue chimique. Enfin, la robustesse de ce modèle vis à vis de l'origine des échantillons et de l'humidité a été testée. Les résultats montrent clairement le fort potentiel de la spectroscopie proche infrarouge pour la prédiction du potentiel méthane. Pour une utilisation industrielle, il ressort qu'une attention particulière doit être portée sur l'ensemble d'étalonnage, qui doit être le plus exhaustif possible. / Anaerobic digestion is a solution to process solid waste, while producing energy by biogas production (methane and carbon dioxide). Methane production could be optimized by selecting only wastes with high methane potential. Currently, the BMP (Biochemical Methane Potential) test is conducted to predict the methane potential. This test is based on a fermentation process. It is time consuming, sometimes, lasting over 30 days, which is too long from an industrial point of view. A rapid method for determining the methane potential is therefore urgently needed. The BMP value depends only on the quantity and the quality of the organic matter, so a method capable of determining the quality and quantity of organic matter is searched for. The objective of this thesis was to identify and study such a method. First, a bibliographic study led us to chose the near infrared (NIR) spectroscopy method: fast and global analysis of the organic matter, non-destructive method, few or no sample preparation, and remote monitoring by use of fiber optics. Second, a calibration for predicting the BMP of and homogenous sample set has been built based on a 74-waste sample set. A correlation coefficient of R² = 0,76 and a standard error of prediction (RMSEP = 28 ml CH4.g-1 VS). Then, the regression coefficients (called b coefficients) were analysed with regard to the molecules in the waste and were compared to the variables selected from the spectrum, in order to validate the model from a chemical point of view. Finally, the robustness of the model, regarding the waste origins and the moisture was tested with heterogeneous samples set. Results show the potential of the near infrared spectroscopy to predict the methane potential quickly, but attention must be paid on the calibration data set when an industrial implementation is dealt with..

La digestion anaérobie représente un des acteurs majeurs du développement durable et de l'économie circulaire dans le concept « des déchets à l'énergie ». Compte-tenu de la grande diversité des déchets organiques, son développement passe par l'optimisation de la co-digestion. D’où la nécessité de développer des outils simples pour caractériser les substrats et pour prédire les performances des digesteurs afin d'optimiser leur fonctionnement. Cette thèse porte sur la caractérisation de la biodégradation des substrats solides par digestion anaérobie et l'optimisation de leur co-digestion à l'aide d'une approche de modélisation simple. En premier lieu, un nouveau protocole pour la quantification du potentiel méthane en mode batch a été mis en œuvre, intégrant une phase d'acclimatation entre l’inoculum et le substrat. Ensuite, un modèle simple a été développé sur la base du fractionnement de la matière organique en trois sous-fractions. Cette approche a permis de développer une base de données incluant les cinétiques et les potentiels en méthane (BMP) de 50 substrats. En second lieu, des expériences de co-digestion de deux substrats solides ont été menées en mode semi-continu à une charge appliquée (cva) constante puis à des charges appliquées croissantes. Les rendements expérimentaux en méthane ont toujours été supérieurs aux valeurs des BMP des mélanges calculées à partir des BMP de chaque substrat, soulignant l'importance de la respiration endogène. Quatre modèles incluant la respiration endogène avec des hypothèses différentes ont été proposés et évaluées pour prédire la production de méthane brute de digesteurs semi-continus en utilisant les données des substrats (BMP et cinétiques) acquises en mode batch. Deux modèles pour lesquels la production expérimentale de méthane à des cva croissantes correspondait bien aux données modélisées ont été validés. L'approche de modélisation retenue a été ensuite appliquée à des mélanges plus complexes de 3 et 5 substrats ainsi qu’à des biodéchets. Enfin, la réponse d’un digesteur fonctionnant en mode de production flexible, c’est-à-dire recevant des surcharges organiques ponctuelles régulièrement a été également modélisée avec succès. L'approche de modélisation proposée fournit un outil simple, pouvant être utilisé par les bureaux d'études, les constructeurs et les exploitants d’unités de méthanisation pour l'optimisation des mélanges de co-digestion et de la cva à utiliser en mode continu. Cela doit permettre de réduire le risque de défaillance et d’optimiser la rentabilité des unités de co-digestion. / Anaerobic digestion represents one of the major actors of sustainable development and the circular economy in the concept of "Waste to Energy". Given the great diversity of organic waste, its development requires the optimisation of co-digestion. Hence, it is needed to develop simple tools to characterize substrates and predict digester performance in order to optimize their operation. This thesis focuses on the characterization of biodegradation of solid substrates by anaerobic digestion and optimization of co-digestion using a simple modelling approach. First, a new batch protocol was implemented to quantify the Biochemical Methane Potential (BMP), integrating an acclimatization phase between the inoculum and the substrate. Then, a simple model was developed based on the fractionation of organic matter into three sub-fractions. This approach has allowed to develop a database including kinetics and BMPs of 50 substrates. Second, co-digestion experiments of two solid substrates were conducted in semi-continuous mode at a constant organic loading rate (OLR) and then at increasing applied loads. The experimental methane yields were always higher than the BMP values of the mixtures calculated from the BMPs of each substrate, underlining the importance of endogenous respiration. Four models including endogenous respiration with different assumptions were proposed and evaluated to predict raw methane production from semi-continuous digesters using substrate data (BMP and kinetics) acquired in batch mode. Two models for which the experimental methane production at increasing OLR corresponded well to the modelled data were validated. The chosen modelling approach was then applied to more complex mixtures of 3 and 5 substrates and to bio-waste. Finally, the response of a digester operated in flexible production mode, i.e. receiving regular punctual organic overloads, was also successfully modelled. The proposed modelling approach provides a simple tool that can be useful to design offices, manufacturers and operators of co-digestion units for the optimisation of feed mixtures and OLR to be used in continuous mode. This should reduce the risk of failure and optimise the profitability of co-digestion units.