La méthanisation est un processus biologique de transformation des matières organiques libérant principalement du méthane et du dioxyde de carbone. Cette technologie connaît un essor important pour la production de biométhane, source d’énergie renouvelable. Elle présente cependant des rendements de dégradation faibles lorsque de la biomasse lignocellulosique est utilisée comme matière première. Pour optimiser son rendement, la paille de blé a été sélectionnée comme biomasse représentative et l’impact sur la méthanisation de chacune des fractions (extractibles, hémicelluloses, cellulose et lignine) a été évalué. Une biomasse de synthèse a été construiteà partir des constituants pures de la paille de blé afin d’évaluer l’impact des interactions lignine-holocellulose. Le potentiel de méthanisation de différentes molécules phénoliques,provenant de la dégradation de la lignine, a été déterminé. Elles inhibent la méthanisation à l’exception de trois d’entres elles qui présentent un rendement de méthanisation élevé : les acides vanillique, l’acide férulique et le syringaldéhyde. Différents prétraitements physique (le chauffage par échangeur thermique ou par irradiation aux micro-ondes ainsi que la sonication et le raffinage papetier) et chimique (la soude, l’ammoniaque et l’ozone) ont ensuite été sélectionnés, et leurs impacts sur lacomposition de la paille et sa méthanisation ont été mesurés. Les meilleurs rendements de méthanisation ont été obtenus suite à l’exposition aux micro-ondes en présence de soude. / Methanization or anaerobic digestion is a biological process to transform organicmatter into a gas mixture composed by a majority of methane and carbon dioxide. Thistechnology is developing rapidly for the production of biomethane as renewable energysource. However this biotechnological route has low performances when lignocellulosicbiomass is used as raw material.Wheat straw has been chosen as typical biomass and the role of each lignocellulosicfraction (extractives, cellulose, hemicelluloses and lignin) has been determined on theperformance of anaerobic digestion. A synthetic biomass has been built with different pureconstituents of the wheat straw to assess the impact of holocellulose-lignin interactions onmethanization. Then methane potential of various lignin degradation products (phenolicmolecules) has been studied. Majority of them have been shown an inhibitory effect butthree of them have been converted to methane: ferulic and vanillic acids andsyringaldehyde.Various physical pretreatments (heating, microwave irradiation, sonication andrefining) and chemical pretreatments (sodium hydroxide, ammonia and ozone) have beenselected to prepare the biomass to anaerobic digestion and their impacts on wheat strawcomposition have been evaluated. The best methanization yield has been obtained afterpretreatments by sodium hydroxide heating by microwave irradiation.

L’utilisation massive des antibiotiques contribue à leur accumulation dans les boues des stations d’épurations. L’application directe des boues est parmi les sources de dissémination des antibiotiques et des gènes de résistance aux antibiotiques. Le compostage et la méthanisation sont parmi les bioprocédés de traitement des boues qui permettent d’éliminer ou réduire les teneurs de certains antibiotiques. Dans ce travail, une boue primaire de la STEP de Marrakech a été contaminée par trois familles d’antibiotiques (macrolides, tétracyclines, fluoroquinolones) pour conduire 4 essais de compostage à différentes doses (dont un essai témoin) et un essai deméthanisation en mode semi-continu. Les résultats du compostage ont montré que l’augmentation des concentrations d’antibiotiques retarde la dégradation de la matière organique et affecte le ratioC/N. De même, la phase thermophile est perturbée, retardée et réduite dans le temps. Pour la méthanisation, une concentration unique et réaliste a été testée. Dans ces conditions, aucun effet sur la production du biogaz ou sur la dégradation de la matière organique n’a été observé. Afin de suivre la dissipation des trois familles d’antibiotiques utilisées au cours du compostage et de la méthanisation, une approche analytique basée sur l’extraction accélérée par solvant (ASE) suivie par l’application d’une méthode des ajouts dosés avant quantification par chromatographie liquide couplée à de la spectrométrie de masse en tandem (UPLC-MS/MS) a du être mise en point. Le compostage et la méthanisation permettent de réduire significativement les concentrations des molécules parents appartenant à la famille des macrolides et des tétracyclines. Par contre,l’élimination des fluoroquinolones est non-significative et ne dépasse pas 30%. Au cours du compostage, la dissipation des macrolides se fait en phase de stabilisation tandis que la phase de maturation est impliquée dans la dissipation des tétracyclines. Les concentrations encirprofloxacine (fluoroquinolone) semblent légèrement évoluer au cours du procédé probablement en raison d’une adsorption/désorption sur le co-substrat lignocellulosique utilisé. Concernant la méthanisation, l’élimination des macrolides et des tétracyclines est significative durant la stabilisation du procédé mais n’atteinds pas les rendements observés lors du compostage. Ladiminution des concentrations des molécules parents est probablement accompagnée par une biotransformation des antibiotiques sous forme de métabolites qui à ce stade ne sont pas connus.La question de la rémanence de certaines molécules comme les fluoroquinolones, interpelle quand au risque d’antibiorésistance. Ainsi, la valorisation des composts/digestats comme amendements organiques des sols dois à terme conduire à une réflexion concernant la réglementation qui inclus la présence de molécule de la classe des antibiotiques. / The intensive use of antibiotics for human purposes leads to their presence and accumulation inthe sludge produced from wastewater treatment plants. The direct application of sludge is amongthe sources of dissemination of antibiotics and antibiotics resistance genes. Composting andanaerobic digestion are some of the most used bioprocess for sludge treatment, and which allowthe removal/decrease of some antibiotics families. In this work, a primary sludge from thewastewater treatment plant of Marrakesh was spiked using 3 families of antibiotics (macrolides,tetracyclines, fluoroquinolones) to conduct (1) 4 composting experiments with variousconcentrations levels, and (2) an anaerobic digestion experiment in a semi-continuous mode.Composting results showed that the organic matter degradation was delayed and the C/N ratiowas affected by an increase of antibiotics concentrations. Likewise, the thermophilic stage wasdisturbed, the heat release was affected and the coming of the temperature maxima was delayed.In the other hand, one realistic concentration was used during the anaerobic digestion. In thiscondition, no effect was observed especially on the biogas production as well as the organicmatter degradation. To assess the fate of antibiotics during composting and anaerobic digestion,an analytical approach based on the accelerated solvent extraction followed by the standardaddition method and the UPLC-MS/MS was developed. Composting and anaerobic digestion leadto a significant removal of parent compounds belonging to the family of macrolides andtetracyclines. In contrast, the fluoroquinolones removal is not-significant and has not exceeded30%. During composting, the thermophilic stage was responsible on macrolides elimination. Incontrast, the maturation stage was more implicated on the removal of tetracyclines. Ciprofloxacin(fluoroquinolone) showed some fluctuations in concentrations. The sorption/desorption on palmrachis could probably explain the observed behavior of this molecule during composting. Duringthe anaerobic digestion, the removal of macrolides and tetracyclines was significant, within thestabilization, but still lower than the observed ones during composting. The decrease of parentcompounds of antibiotics is probably accompanied by a biotransformation of these compounds inunknown metabolites. The presence of recalcitrant compounds after the bioprocess could promotethe development of resistant bacteria including pathogens. In the future regulations, thevalorization of compost/digestate as an amendment of agricultural soil requires taking into accountthe presence of antibiotics.

La qualité des boues est directement liée à la qualité des étapes de traitement présentes au sein d’une station d’épuration. En termes de traitement et d’élimination des boues, nous observons de la part des acteurs locaux, une volonté d’abandon définitif et durable de la filière « dépôt en centre de stockage », étant donnée une règlementation et des plans régionaux (notamment le PREDIS de Corse), toujours plus exigeant en termes de valorisations des déchets industriels et spéciaux. Nous observons également un abandon progressif et programmé des pratiques relatives à l’épandage. En effet, l’épandage des boues d’épuration fait l’objet d’une vaste controverse qui met en avant les risques sanitaires et environnementaux qu’elle engendrerait sur les sols agricoles. Au sein de notre région, cette pratique est réalisée de manière non règlementaire. En Corse, les acteurs locaux semblent avoir optés pour la solution du compostage en vue de valoriser la production de boues d’épuration. En effet, près des 2/3 du tonnage annuel en MS de boues sont actuellement valorisés via cette filière. Le processus de compostage équivaut à une fermentation aérobie, faisant intervenir une multitude de micro-organismes. Cette filière de compostage, au même titre que l’épandage, a connu une forte expansion de son activité mais semble avoir des failles et des limites : problèmes de mauvaises odeurs ; règlementation de plus en plus exigeante ; et enfin surproduction de compost invendable aux vues de la demande. Une autre solution pourrait présenter des atouts supérieurs : la méthanisation avec production d’électricité et de chaleur par cogénération. Cette production d’énergies passe obligatoirement par la valorisation du biogaz produit par ce système. En effet, le biogaz est un mélange contenant principalement du méthane (50 à 70%) et du dioxyde de carbone Du fait d’une forte concentration en méthane, le biogaz est un bon fournisseur d’énergie (1m3 de biogaz a un pouvoir calorifique de 6 kWh soit l’équivalent de 0,6 l de fuel). Pour produire de l’électricité, le processus de méthanisation doit être couplé à un moteur à cogénération ou à plusieurs microturbines. EDF a alors l’obligation de racheter l’électricité produite à un prix se situant entre 11 et 14 centimes d’euros/kwh., Après 15 ans, le rachat du kwh produit se fait aux taux proposés par EDF. En Corse, seulement une station d’épuration est équipée d’un digesteur couplé en série à cinq microturbines, produisant de la chaleur et de l’électricité par cogénération : La station de traitement des eaux usées de Campo Dell’Oro à Ajaccio. Ce procédé de valorisation énergétique pourrait être amélioré via le remplacement à terme, des microtubines par un moteur à cogénération. Une AMCDP a notamment permis de surclasser cette technologie vis-à-vis des microturbines, beaucoup moins efficaces en termes de rendement mais aussi de fonctionnement. L’équipement des stations d’épuration de plus fortes capacités en Corse, de digesteurs associés à un moteur à cogénération pourrait être une solution durable à la problématique de la valorisation énergétique des boues. / Sludge quality is directly related to the quality of of these processing steps present in a water treatment plant. In terms of treatment and disposal of sludge, we observe on the part of local actors, a willingness to permanent and lasting abandonment of the sector 'deposit in storage centre'', given a regional plans and regulations (including the PREDIS Corsica), increasingly demanding in terms of valuations of industrial and special waste. We also observe a gradual and planned abandonment of practices for spreading. Indeed, the spreading of sewage sludge is the subject of widespread controversy which highlights the health and environmental risks it would lead to agricultural soils. In our region, this practice is not carried out regulatory manner. In Corsica, the local actors seem to have opted for the solution of compost to enhance the production of sewage sludge. Nearly 2/3 of the annual tonnage MS sludge is currently valued via this pathway. The composting process is equivalent to an aerobic fermentation involving a multitude of microorganisms. This composting stream, as well as spreading, experienced strong expansion of its business but seems to have flaws and limitations: problems with odors; regulatory increasingly demanding; and finally overproduction unsaleable compost to the views of the application.Another solution could present higher advantages: anaerobic digestion with production of electricity and heat from cogeneration. . This energy production go through the biogas produced by this system. Indeed, the biogas is a mixture containing mostly methane (50 – 70 %) and carbon dioxide. Due to a high concentration of methane, biogas is a good energy supplier (1m3 biogas has a calorific value 6 kWh equivalent to 0.6 liters of fuel). To generate electricity, the anaerobic digestion process must be coupled to an engine cogeneration or several microturbines. EDF has the obligation to purchase electricity at a price ranging between 11 and 14 euro cents/kwh. After 15 years, the redemption of the kwh produced is done at the rate offered by EDF.In Corsica, only a treatment plant is equipped with a digester coupled in series to five microturbines, producing heat and electricity cogeneration: The wastewater treatment plant at Campo Dell'Oro /Ajaccio. This energy recovery process could be improved with an eventual replacement of the microtubines by a cogeneration engine. An AMCDP allowed to outperform this technology towards microturbines, much less efficient in terms of performance.The equipment of the highest capacity treatment plants in Corsica, digesters associated with a cogeneration engine could be a lasting solution to the problem of energy recovery of sewage sludge.

Le procédé Arkométha® est un système de digestion anaérobie de rejets organiques fonctionnant en voie épaisse et comprenant plusieurs compartiments phasés en température. Ce travail s’est intéressé aux performances des différentes phases du procédé pour le traitement de résidus agricoles. Dans un premier temps, le compartiment d’hydrolyse a été étudié. Les paramètres les plus influents ont été identifiés (température et durée de l’hydrolyse) à l’aide d’un plan d’expérience. Ils ont ensuite été testés sur un pilote afin d’évaluer leur influence sur la solubilisation et la production de méthane ultérieure. Des tests ont alors été conduits à l’échelle laboratoire en mode continu au moyen de réacteurs en séries. Le compartiment méthanogène, constitué de deux à trois secteurs, a été étudié en mettant en évidence l’efficacité de chaque secteur. L’effet de la température a ici également été étudié, avec un impact important. Les deux compartiments ont été mis en série permettant l’étude du procédé complet. Ceci a permis de mettre en lumière certains risques liés à des combinaisons de température peu favorables. Par ailleurs, une comparaison avec un procédé mono-étape a été effectuée. Outre l’étude des performances de chaque compartiment et l’analyse de leur articulation, un résultat intéressant de ce travail réside dans l’affinement de la notion d’hydrolyse dans le cadre de la méthanisation en voie épaisse, communément confondue avec la solubilisation. En effet, nous avons montré que le gain apporté par l’utilisation d’un réacteur séquencé avec un compartiment dédié à l’hydrolyse ne réside pas dans l’amélioration de la solubilisation, mais dans l’augmentation conséquente de la cinétique de méthanisation dans les étapes suivantes. De façon intéressante, alors que la température joue un rôle primordial dans la solubilisation de la matière organique, elle est relativement peu influente pour l’amélioration de la cinétique de dégradation, où le temps de séjour devient prépondérant. / The Arkométha ® process is a system treating organic wastes in several sectors working at high solid concentration and being temperature phased. The present work focuses on the performances of the different phases of the process in treating agricultural wastes. In a first time, the hydrolysis sector has been studied. The most influent parameters have been identified (temperature and retention time), using design of experience. They have been tested afterwards at a pilot scale in order to assess the influence on solubilization and later methane production. Then, tests have been conducted at the lab scale in continuous mode using serial reactors. The methanogenic compartment, composed by two to three sectors has been studied highlighting the efficiency of each sector. The effect of temperature has also been studied, with a strong impact. The two compartments being used in series enabled the study of the complete process. This allowed highlighting some risks linked with certain temperatures combinations. On the other hand, a comparison with a single step reactor has been made. Beside the analysis of the relative performances of each compartment, a major result of this work lies in the distinction between hydrolysis and solubilization. Eventually, we showed that the gain brought by the hydrolysis compartment is not only related to solubilization of organic matter, but also in the increase in kinetics in the downwards sectors. Interestingly, while temperature has a major role in solubilization, it is of less importance in improving the degradation kinetics, where the retention time becomes of higher importance.

Dans le but d'évaluer la possibilité de mise en place une ingénierie écologique des processus microbiens de la digestion anaérobie dans les bioprocédés, différents leviers environnementaux ont été appliqués à des digesteurs de cellulose. Le premier levier étudié, de nature physico-chimique, était la température. Le deuxième faisait appel à une adaptation préalable d'une biomasse complexe par incubation avec des molécules simples avant mise en présence de cellulose. Le dernier consistait en la co-inoculation de diverses biomasses exogènes avec une boue anaérobie. Les conséquences des perturbations apportées par ces leviers sur les dynamiques métaboliques et écologiques de bioréacteurs anaérobies dégradant de la cellulose ont été évaluées. Différents indicateurs physico-chimiques ont été utilisés pour caractériser la dégradation de la cellulose (production de molécules intermédiaires, production de gaz, etc.). Les outils de la biologie moléculaire ont permis de caractériser les dynamiques microbiennes à l'échelle des communautés (par fingerprinting ARISA) ou des individus (par pyroséquençage de l'ADNr 16S). L'utilisation d'isotopes stables (cellulose marquée 13C), a permis de réaliser un traçage précis des flux de matières (intermédiaires de dégradation de la cellulose enrichis en 13C) et des microorganismes impliqués dans la chaîne de dégradation de la cellulose (groupes microbiens fonctionnels identifiés par la technique de " stable isotope probing "). Les expériences de changements de température ont montrél'influence importante de ce paramètre sur les communautés microbiennes, en particulier les archées. Elles ont mis en évidence le caractère asymétrique de l'effet de la température sur les communautés microbiennes et les conséquences irréversibles du passage par les conditions thermophiles. Ces propriétés ouvrent des perspectives intéressantes pour exploiter les chocs de température afin de modifier les propriétés de la biomasse. L'expérience de fonctionnalisation de la biomasse à l'aide de quatre molécules simples (acide propionique, acide butyrique, glucose et cellobiose) montre qu'un modelage des populations microbiennes par préadaptation est possible. Une fois en contact avec la cellulose, les biomasses fonctionnalisées génèrent des schémas de dégradation et des structures de communautés qui se répartissent de manière inattendue en deux catégories seulement. Ce résultat suggère qu'il est possible d'orienter les états d'équilibre d'une communauté microbienne complexe par préadaptation fonctionnelle. Enfin, des expériences de co-inoculation ont mis en avant la difficulté d'exploiter directement les propriétés enzymatiques de flores cellulolytiques performantes mais également les possibilités de modifier les équilibres de diversité au sein de la biomasse du bioprocédé. Ces expériences suggèrent qu'un paramètre tel que la diversité de la communauté d'un bioprocédé pourrait être manipulé par bioaugmentation. Ce travail démontre que nous disposons d'ores et déjà d'un certain nombre d'outils pour élaborer une ingénierie écologique des bioprocédés à travers une nouvelle démarche de gestion qui se place à l'échelle de l'écosystème microbien et des services associés.

La méthanisation de la biomasse lignocellulosique est un des moyens les plus efficients pour la production d’énergie renouvelable. Cependant, la lignine présente dans cette biomasse est difficile à hydrolyser. Cette limite peut être surmontée grâce aux prétraitements. Parmi eux, les prétraitements peu couteux par pourritures blanches sont attrayants mais ils ont été peu appliqués pour la digestion anaérobie. La présente étude explore les prétraitements par pourritures blanches de la paille de blé afin d’en améliorer sa méthanisation. Tout d’abord, une étape de sélection a révélé l’efficacité de la souche Polyporus brumalis BRFM 985 puisque 43% de méthane supplémentaire ont été obtenus par gramme de matières volatiles par comparaison avec la paille témoin. En prenant en compte les pertes de matières occasionnées par le prétraitement, cela correspondait à 21 % d’amélioration par gramme de matière sèche initiale. De plus, il a été montré que l’addition de glucose durant le prétraitement limitait la délignification et donc la production de méthane du substrat. Puis, des échantillons prétraités furent obtenus lors d’un plan d’expérience visant à optimiser le prétraitement par P. brumalis BRFM 985 ; les paramètres du prétraitement testés étaient : la durée et la température de culture, l’humidité initiale du substrat et l’addition de métaux. Les surfaces de réponse de la production de méthane à partir de ces échantillons furent construites. La production optimale de méthane ne fut pas atteinte dans le domaine expérimental testé mais l’impact positif de l’addition de métaux fut démontré, ainsi que l’importance de choisir une durée de culture adaptée. Ensuite, l’usage de la technique de la pyrolyse-GC-MS pour évaluer l’efficacité du prétraitement fut étudié. Une estimation de la quantité de biomasse fongique avec cette méthode apparaît possible. Le ratio polysaccharides/lignine déterminé par py-GC-MS a permis de classer des échantillons prétraités selon leur biodégradabilité anaérobie. La digestion anaérobie en voie sèche (DAVS) de paille de blé prétraitée en réacteur pilote fut menée en batch avec recirculation des lixiviats. Durant le démarrage de la DAVS, un trop fort S/I mène à une accumulation d’acides gras volatils (AGV) et parfois à la défaillance de la DAVS. Néanmoins, de forts S/I permettent de traiter plus de substrat et augmentent la production de méthane par volume de réacteur. Avec la paille de blé, des S/I entre 2 et 3 (en matières volatiles) permettent un bon démarrage de la DAVS. Alors qu’un ratio AGV totaux/alcalinité inférieur à 0,6 correspond à des réacteurs stables en digestion anaérobie voie liquide ; cette limite semble mal adaptée à la DAVS. Il fut observé que la DAVS pouvait récupérer d’une phase d’acidification tant que le ratio AGV totaux/alcalinité était inférieur à 2 et que la concentration en AGV était inférieure à 10 g/L dans les lixiviats. Malgré une amélioration de la biodégradabilité et une phase de démarrage facilitée, le prétraitement fongique non optimisé ne permit pas d’améliorer la production de méthane après prise en compte des pertes de matière occasionnées par le prétraitement. / Anaerobic digestion of lignocellulosic biomass is one of the most efficient ways to produce renewable energy. However, lignin contained in this biomass is difficult to hydrolyze. This limitation can be overcome by pretreatments. Among them, low-cost white-rot fungi pretreatments seem attractive but were scarcely applied for anaerobic digestion. The current study investigates white-rot fungi pretreatments of wheat straw to improve its methane production. Firstly, a selection step has revealed the efficiency of Polyporus brumalis BRFM 985 since 43% more methane per gram of pretreated volatile solids were obtained compared to the control straw. Taking into account the dry weight loss occurring during the pretreatment, it still corresponded to 21% more methane per gram of initial total solids. Moreover, glucose addition during the pretreatment was shown to limit delignification and thus methane production from the substrate. Secondly, pretreated samples were obtained in an experiment device aiming to optimize the pretreatment with P. brumalis BRFM 985; tested pretreatments parameters were: culture duration, temperature, initial substrate moisture content and metals addition. Response surfaces of methane production from those samples were built. Optimum methane production was not reached in the experimental domain but the positive impact of metals addition was demonstrated, so as the importance to choose adequate culture duration. Then, the use of pyrolysis-GC-MS technic to access pretreatment efficiency was studied. Estimation of fungal biomass amount on wheat straw with this method appeared possible. Polysaccharides/lignin ratio determined with py-GC-MS allowed to classify some pretreated samples according to their anaerobic degradability. Solid State Anaerobic Digestion (SSAD) of wheat straw pretreated in pilot-reactor was carried out in batch with leachate recycle. During SSAD start-up phase, too high Substrate/Inoculum (S/I) ratio leads to Volatile Fatty Acid (VFA) accumulation and sometimes to reactor failure but with high S/I more substrate can be treated and methane production per reactor volume increases. With wheat straw, S/I between 2 and 3 (Volatile Solid basis) allow a successful start-up in SSAD. Whereas Total VFA/alkalinity ratio under 0.6 corresponds to stable wet anaerobic digestion; this limit seems not well adapted to SSAD. It was observed that SSAD reactors were able to recover from acidification phase when Total VFA/alkalinity was lower than 2 and with VFA concentrations inferior to 10 g/L in leachate. Despite the improvement of biodegradability and the facilitation of start-up phase, non-optimized fungal pretreatment did not improve methane production after taking into account mass losses occurring during the pretreatment.

Le secteur de la méthanisation à la ferme ou territoriale connait un fort développement, entrainant la production de grandes quantités de digestats. Si la fraction solide de ces digestats est généralement utilisée en tant qu’amendement organique, la fraction liquide peut être valorisée par la récupération des éléments minéraux bien que la présence de composés organiques pose des problèmes de traitement et d’élimination. Les objectifs de cette thèse sont i) de caractériser la fraction liquide des digestats et donner des premiers éléments pour leur futur traitement et ii) d’expliquer la variabilité des composés résiduels présents dans cette fraction liquide en relation avec l’origine des substrats, les paramètres du procédé de méthanisation et le type de séparation solide/liquide. Dans une première partie, nous avons caractérisé de manière détaillée onze digestats issus d’installations industrielles de co-digestion. Le fractionnement par neuf filtrations successives de la fraction liquide des digestats a permis de quantifier la contribution des matières en suspension, des colloïdes grossiers et fins et des matières dissoutes aux différents paramètres physico-chimiques et biologiques. Il a été montré la faible biodégradabilité aérobie des composés organiques dont la majeure partie se trouve dans la matière en suspension (> 1,2 µm). Pour élargir la base de données, nous avons caractérisé dix-huit digestats supplémentaires et un digestat de boues de station d’épuration dont les fractions liquides ont été fractionnées par deux filtrations successives (1,2 μm et 1 kDa). L’analyse en composantes principales, la classification hiérarchique et la matrice de corrélation réalisées sur l’ensemble des 30 digestats ont mis en avant l’impact majeur des techniques de séparation solide/liquide sur la composition de la fraction liquide des digestats. Dans le groupe des techniques de séparation hautement performantes, des sous-groupes ont permis de distinguer les digestats à base de boues d’épuration, ceux à base de lisiers porcins et ceux issus de procédés piston thermophiles. Dans le groupe des procédés de séparation à faible performance, les teneurs en DCO et matières sèches de la fraction liquide des digestats ont été corrélées aux teneurs en cultures énergétiques et fumiers bovins dans l’alimentation. Finalement, pour l’ensemble des digestats, le paramètre SUVA, lié à la teneur en matière aromatique et à la stabilisation des composés, a été corrélé au temps de séjour des digesteurs. Pour comprendre l’origine des composés résiduels observés dans la fraction liquide des digestats issus de la co-digestion avec de fortes proportions de fumier bovin, quatre réacteurs CSTR alimentés avec respectivement de la paille de blé, de la bouse de vache et du fumier ont été conduits pendant 48 semaines. Les performances de méthanisation ont mis en évidence le caractère âgé du fumier qui avait été partiellement dégradé pendant le stockage à la ferme. Ainsi la fraction liquide du digestat du fumier a présenté les plus fortes concentrations en composés organiques qui en outre présentaient une complexité, mesurée par fluorimétrie 3D, plus élevée que les autres substrats. La fraction liquide du digestat issue de la méthanisation de la paille a révélé les plus fortes proportions de DCO dans les fractions colloïdales et dissoutes. La faible biodégradabilité des composés organiques et leur forte proportion dans les matières en suspension suggèrent le développement de procédés physico-chimiques de séparation tels que la coagulation pour le traitement de la fraction liquide des digestats. / Agricultural and centralized biogas plants are facing a fast development, leading to the production of huge amounts of digestates. Whereas the solid fraction of digestates is used as fertilizer, the liquid fraction can be valorized by the recovery of mineral materials, although the presence of organic compounds may be problematic for the treatment and disposal of this effluent. The objectives of this thesis are: i) to characterize the liquid fraction of digestates and to provide guidelines for its further treatment, ii) to explain the variability of residual compounds in the liquid fraction of digestates in relation with substrate origin, process parameters and the type of solid-liquid separation. In a first part, eleven digestates from full scale codigestion plants were thoroughly characterized. Their liquid fractions were fractionated by nine successive filtrations, which allowed quantifying the contribution of suspended particles, coarse and fine colloids and dissolved matter on several physico-chemical and biological parameters. Organic compounds were mainly found in suspended particles (> 1.2 µm) and presented low aerobic biodegradability. To enlarge the data base, eighteen more digestates from codigestion and one digestate from waste activated sludge were characterized; their liquid fractions were fractionated by two successive filtrations (1.2 μm and 1 kDa). Principal component analysis, hierarchical clustering analysis and correlation matrix carried out on the 30 digestates set, highlighted the major impact of the solid-liquid separation process on the composition of the liquid fraction of digestates. In the high performance separation process group, subgroups allowed separating digestates from sewage sludge, digestates from pig manure and digestates from plug-flow thermophilic processes. In the low performance separation process group, COD and total solids concentration in the liquid fraction of digestates were correlated to the percentage of energy crops and cow manure in the feed. Finally, SUVA parameter which accounts for aromatic compounds content and the stabilization of organic matter, was correlated to the retention time in digester for the whole digestates set. To understand the origin of residual compounds in the liquid fraction of digestates from co-digestion of high proportions of cattle manure, four CSTR reactors fed with wheat straw, cow dung and cow manure were operated for 48 weeks. Anaerobic digestion performances showed that cow manure had undergone some aerobic degradation during its storage at the farm. Therefore, the liquid fraction of manure digestate had the highest concentrations in organic compounds. In addition, these organic compounds had the highest complexity measured by 3D fluorimetry. The low biodegradability of organic compounds and their high percentage in suspended particles suggest the development of physico-chemical separation process such as coagulation for the treatment of the liquid fraction of digestates

La digestion anaérobie est un processus biologique de transformation de la matière organique permettant la production d’énergie sous forme de biogaz et de fertilisant sous forme de digestat. C’est une filière émergente en France, dont les objectifs de développement sont ambitieux. Le développement d’une filière industrielle sur l’ensemble du territoire Français nécessite la mise en oeuvre d’outils d’aide à la décision.Dans le cadre de cette Thèse nous proposons d’évaluer le potentiel de développement de la méthanisation collective, territoriale et agricole par injection du biogaz dans les réseaux de gaz naturel. Les travaux de recherchent portent sur trois axes : (1)l’évaluation du potentiel de mobilisation de biomasse d’origine agricole ; (2) la conception et l’étude de la viabilité économique de « modèle type » d’usine de méthanisation ; (3) l’évaluation de la performance technico-économique d’une exploitation agricole ayant recours à la méthanisation dans but d’accroitre son autonomie face aux énergies fossiles et aux engrais chimiques.Sur le premier volet, nous avons réalisé une étude cartographique des gisements agricoles mobilisables. Nous avons localisé et quantifié les quantités de coproduits de cultures et d’effluents d’élevage présent sur le territoire Français. Nous avons mis en évidence que le potentiel de mobilisation de biomasse agricole est de l’ordre de 57millions de tonnes de matière sèche. Ceci correspond à une production énergétique maximale de l’ordre de 158 TWh/an.Sur le deuxième volet, nous avons conçu des « modèles types » d’usines de méthanisation de différentes tailles, dont le biogaz est valorisé en biométhane par injection dans le réseau. Pour chacun des « modèles types » nous avons comparé la viabilité technico-économiques des modèles selon différentes « recettes » de biomasse. L’évaluation met en avant que pour chaque « modèle type », il existe un nombre limité de « recettes » permettant à chacun d’entre eux de trouver un équilibre technico-économique.Sur le troisième volet, nous nous sommes intéressés à l’autonomie azote et carburant que pourrait atteindre une exploitation agricole en méthanisant des cultures énergétiques dédiées de légumineuse. L’évaluation a été menée sur des fermes présentant des configurations différentes d’assolement et de rendement. Nous avons mis en évidence les conditions nécessaires pour que chaque configuration de ferme puisse atteindre l’autonomie. Il en ressort que dans certaines conditions, une exploitation « autonome » présente des marges brutes supérieures à celle d’une exploitation conventionnelle. / Anaerobic digestion is a biological process of transformation of organicmatter allowing the production of energy in the form of biogas and fertilizer in the formof digestate. It is an emerging sector in France, whose development objectives are ambitious. The development of an industrial sector throughout the French territory requires the implementation of decision support tools.As part of this thesis, we propose to evaluate the development potential of collective,territorial and agricultural methanation by injecting biogas into natural gas networks.Research work focuses on three axes: (1) the evaluation of the biomass mobilization potential of agricultural origin; (2) the design and study of the economic viability of a"typical model" of methanation plant; (3) the evaluation of the technical and economic performance of a farm using methanation in order to increase its autonomy in the face of fossil fuels and chemical fertilizers.We first carried out a cartographic study of mobilizable agricultural deposits. The quantities of co-products of crops and livestock effluents present on the French territor ywere located and quantified. Thus, we have shown that the potential for mobilization of agricultural biomass is of the order of 57 million tons of dry matter. This corresponds to a maximum energy production of about 158 TWh / year.And second, we have designed "model models" of biogas plants of different sizes,whose biogas is valorized in biomethane by injection into the network. For each of the"standard models" we compared the techno-economic viability of the models according to different "recipes" of biomass. The evaluation points out that for each "standard model" there is a limited number of "recipes" allowing each of them to find a technoeconomic balance.Finally, we focused on the nitrogen and fuel autonomy that an agricultural operationcould achieve by methanising dedicated energy crops of legumes. The assessment was conducted on farms with different rotational and yield configurations. We have highlighted the conditions necessary for each farm configuration to achieve autonomy.It shows that under certain conditions, an "autonomous" farm has gross margins higher than that of a conventional farm.

La méthanisation est un procédé biologique au cours duquel la matière organique est convertie en un gaz riche en méthane (biogaz). Parmi les technologies industrielles, les procédés de digestion par voie sèche (taux de matière sèche supérieur à 15 %) sont de plus en plus utilisés car ils présentent des avantages concurrentiels important par rapport aux procédés classiques par voie humide. Cependant, la nature très pâteuse du milieu de digestion lui confère des propriétés mal connues et non étudiées (comportement rhéologique, équilibres, transferts, cinétiques biologiques). Cette thèse comporte deux axes de recherche : i) la nature des équilibres chimiques (sorption, diffusion) intervenant dans les milieux de digestion, ii) la mise en place et l’application d’un modèle cinétique adapté à l’étude des milieux secs. Sur le premier volet, nous avons mis en évidence que le transfert diffusionnel est fortement réduit avec l’augmentation de la teneur en matière sèche des milieux en absence d’agitation. Une des conséquences est l’importance du transfert liquide-gaz pour la production de biogaz. Sur le deuxième volet, nous avons développé un modèle cinétique dédié qui nous a permis, par comparaison avec l’expérience, de mieux cerner la variabilité de la cinétique en fonction de la teneur en matière sèche des milieux. Les répercussions de ce travail se situent aussi bien à l’échelle du laboratoire, en particulier pour l’exploitation des essais d’activité méthanogène, qu’à l’échelle industrielle, avec la nécessité de contrôler le taux de matière sèche des procédés pour une efficacité optimale, et d’adapter l’agitation à ce taux pour améliorer les rendements de dégradation. Le modèle développé pourra constituer une base pour le dimensionnement et la conduite des installations. / Anaerobic digestion is a biological process that converts organic matter into a methane rich gas (biogas). Among industrial technologies, dry processes (above 15 % total solid content) are more and more used because of their advantages in comparison with conventional wet processes. However, dry anaerobic digestion processes are poorly known and studied because of the “pasty” nature of digestion media (rheological behavior, equilibria, transfers, biological kinetics). This thesis focuses on two major aspects: i) the nature of the chemical equilibria (sorption, diffusion) involved in digestion media, ii) the establishment and application of a kinetic model adapted to dry media. We first demonstrated that the diffusional mass transfer is highly reduced with increasing total solid without any agitation. One of the consequences is the importance of the liquid-gas transfer for the production of biogas. Then, we have developed a dedicated kinetic model that enables to understand the variability of the kinetic with total solid content. The impacts of this work are both at the laboratory scale, especially for the operation of Specific Methanogenic Activity tests, and at industrial scale, with the need to control total solid content for optimal efficiency, and to adapt the agitation to improve degradation yields. The developed model can be useful for the design and operation of biomethanization facilities.

L’étude et la mise au point des procédés de traitement du biogaz représentent un défi majeur à relever pour accéder à une énergie propre produite à partir d’une unité de méthanisation. Le biogaz est un mélange de CH4 à 55% v/v et de CO2 à 40% v/v. La technique de l’absorption de CO2 par lavage à l’eau sous pression a été choisie dans cette thèse. L’optimisation, le contrôle et l’étude expérimentale de ce procédé, appelé EPUROGAS, ont été réalisés à l’échelle d’une ferme sur un prototype traitant un débit nominal de 40 Nm3/h. Deux axes de recherche ont été privilégié dans la mise au point de l’EPUROGAS : l’entraînement de méthane par l’eau et le recyclage de l’eau sans stripping pour permettre une valorisation simultanée du CH4 et du CO2 produits. Les principales innovations de ces travaux sont protégées par deux brevets : l’amélioration de la base de la colonne d’absorption et une méthode originale de désorption par mélangeur statique. Lors de ces travaux, une méthode statistique d’analyse des résultats expérimentaux a été proposée. Deux modèles prédictifs de génie des procédés ont été élaborés afin de prédire l’efficacité d’absorption du CO2 et le rendement de production de CH4. Un pilote complémentaire a été étudié : le SATUROMETRIX qui permet de caractériser des équilibres gaz/liquide entre plusieurs gaz et un liquide complexe sous pression, complétant les données bibliographiques des constantes de Henry associées aux mélanges complexes. Enfin, un système PSA qui conditionne le biogaz ou le méthane pré-épuré en Gaz Naturel Véhicule comprimé à 200 bar a été étudié. Les procédés EPUROGAS et PSA ont été couplés, évalués énergétiquement puis dans leur globalité par l’Analyse de Cycle de Vie. / Biogas upgrading is a key technology for the renewable energy mix of tomorrow. Biogas is a mix of Carbon Dioxide (40%) and Methane (55%). It is obtained thanks to the anaerobic digestion of organic matter. The adapted High Pressure Water Scrubbing process was studied in this thesis. The process was installed in farm and operated at a real scale for upgrading biogas flows up to 40 Nm3/h. It is called EPUROGAS. Two main research axes were obtained with a preliminary study on a prototype: biogas leaks were detected at the water outlet and stripping water with air allowed both CH4 and CO2 production. Works have led through innovation with two patents: an enlarged column bottom and a static mixer to enhance CO2 desorption from water. During this work, experimental results were collected during operation and statistically studied. Thanks to theoretical studies, two predictive models were built to predict CO2 absorption efficiency and CH4 rate recover. Moreover, two complementary processes were studied. SATUROMETRIX is a laboratory apparatus that aims to characterize gas/liquid equilibrium under pressure for mixed gases and a complex liquid phase. PSA system is an adsorption process for biogas upgrading operating with biogas or half upgraded biogas. It leads to Compressed Natural Gas at 200 bars. Finally, EPUROGAS and PSA were coupled in order to conduct their energetic study and their Life Cycle Analysis