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

Depuis le début des années 2000, la station d’épuration n’est plus seulement perçue comme une installation industrielle traitant les eaux résiduaires urbaines afin d’en minimiser leurs impacts sur le milieu naturel, mais aussi comme un moyen de récupérer des ressources : eau, nutriments, énergie. Ce travail de thèse traite de cette dernière ressource, l’énergie. Comment tendre vers la station d’épuration auto-suffisante en énergie, voire encore productrice d’énergie sans en affecter l’efficacité de traitement? A l’aide d’une filière de traitement ancienne revisitée : le procédé A/B (Adsorption/Bio-oxydation), le bilan énergétique de la station peut tendre vers la neutralité en réduisant les demandes liées à l’aération et en optimisant la production de biogaz. Ce travail de doctorat se concentre principalement sur la méthanisation des boues issues de ce procédé A/B afin d’en connaître leurs caractéristiques et leur digestibilité, de les comparer avec la digestion anaérobie de boues davantage connues et enfin d’utiliser ces résultats pour dresser le bilan énergétique du procédé A/B, ceci à partir des données récoltées sur un pilote de 50 m3/j installé sur la station d’épuration de Kranji à Singapour. Les boues A et B présentent respectivement les productions spécifiques de méthane respectives de 290 et 135 LCH4/kgMVentrante en conditions mésophiles. Le procédé A/B avec ses deux étages de boues activées permet de capter un maximum de carbone en première étape de traitement pour le transférer directement en digestion. En effet, la production totale de boues provient à 90% des boues A et seulement à 10% des boues B ce qui porte à 95% la production de méthane attribuée aux boues A. Ces résultats induisent une production d’énergie supérieure par rapport à une filière de traitement conventionnelle avec un seul étage de boues activées. Par ailleurs, ce procédé permet de diminuer les besoins en aération pour le traitement des pollutions carbonée et azotée, tout en gardant les mêmes efficacités de traitement. Il est ainsi possible de conclure que la filière de traitement des eaux usées en procédé A/B présente un degré d’efficacité énergétique proche de 300% (ratio entre l’énergie électrique produite à partir du biogaz et la consommation énergétique liée à l’aération), ce qui représente 73% d’auto-suffisance énergétique globale en considérant le cas de la station de Kranji en boues activées conventionnelles traitant les pollutions en carbone et en azote. / Since the early 2000’s, wastewater treatment plants (WWTP) have not been only seen as a mean to reduce the impact of the harmful emissions towards water bodies but also as a way to recover the resources contained in the raw wastewater: water, nutrients and energy. This doctorate seeks to study the latter one. How to tend to the energy self-sufficient or even energy positive WWTP without altering its treatment efficiencies? Using an old wastewater treatment process: the A/B process (Adsorption/Bio-oxidation) and state-of-the-art technologies, the energy autarky of a WWTP can become a reality by reducing its electricity consumption related to the aeration and by optimizing its energy production through anaerobic digestion. This work mainly focuses on the anaerobic digestion of the sludge produced by the A/B process. It aims at evaluating their characteristics and digestibility and thus at comparing these to the ones of better-known sludge such as primary, secondary and mixed sludge from a conventional wastewater treatment system. Eventually, these results with the addition of data collected on a 50 m3/d A/B process pilot plant on the Water Reclamation Plant of Kranji, Singapore, are used to draw the energy balance of the A/B process and to try to make a comparison to conventional systems. The A/B process produces the A and B sludge which respectively show specific methane productions of 290 and 135 LCH4/kgVSintroduced in mesophilic anaerobic digestion and can be considered quite similar to primary and secondary sludge respectively from conventional WWTPs. With its two stages of activated sludge, this process enables the early entrapment of carbon to be directly transferred to the digesters. Indeed, 90% of the sludge production comes from the A sludge in matter of Volatile Solids, which brings to 95% the biogas production to be ascribed to this sludge. Hence, the A/B process does produce more energy than a conventional single-stage activated sludge. It also reduces the aeration demand for the biological treatment of the carbon and nitrogen pollutions whilst complying with the same treatment performances. Drawing the energy balance of the A/B process leads to the conclusions that this process presents an energy efficiency of 300% by comparing only the electrical needs for the aeration (40-70% of the whole plant demand) and the electricity production from biogas generation, which, at the end, represents an energy self-sufficiency of 73% considering the Kranji conventional water reclamation plant.

En France, le développement rapide de la méthanisation, procédé de production d'énergie renouvelable par dégradation de résidus organiques, soulève la question de la pertinence environnementale de la filière. Cette dernière mérite d'autant plus d'être évaluée que le développement de la filière est inscrit dans les plans climatiques et énergétiques nationaux. La méthanisation centralisée s'insère d'ailleurs de manière profitable dans diverses démarches d'écologie industrielle et territoriale (EIT), au sein desquelles la multifonctionnalité du procédé constitue un atout substantiel en faveur du bouclage des flux de matière et d'énergie. Cette multifonctionnalité représente néanmoins la principale source de difficultés méthodologiques rencontrées lors de l'évaluation des performances environnementales de systèmes de méthanisation. Sa résolution, à savoir la définition de la fonction principale d'un système, passe par la contextualisation de la méthode. Pour l'analyse du cycle de vie (ACV), cette contextualisation se révèle pertinente dès la première étape de la méthodologie. Ce travail de thèse propose un cadre conceptuel visant à définir des scénarios de méthanisation contraints par leur territoire d'implantation. Pour cela, une approche systémique territoriale, impliquant les systèmes d'information géographique (SIG) et la modélisation orientée objet, a été développée. Elle résulte en un modèle spatial de l'insertion territoriale d'une filière de méthanisation centralisée, qui intègre l'ensemble de ses éléments constitutifs, réseaux ou variables. A l'issue de l'approche systémique a lieu une phase d'optimisation fonctionnelle et spatiale qui met en jeu trois séries successives d'indicateurs, permettant de définir : (i) la fonction principale que remplirait un système de méthanisation au sein du territoire étudié, (ii) les configurations possibles d'un système de méthanisation qui puissent satisfaire à cette fonction principale et (iii) les zones préférentielles d'implantation des scénarios élaborés. Cette méthodologie, conçue de manière à être transposable à tout territoire français, s'intègre aux étapes de l'ACV de définition des objectifs et d'inventaire du cycle de vie. Afin de valider l'applicabilité de la méthode développée, deux territoires contrastés ont été soumis à l'approche systémique territoriale. Ces cas d'étude ont mis en évidence les liens entre spécificités territoriales et conception de la filière. L'influence de la fonction principale retenue pour un système de méthanisation sur la réalisation et les résultats de l'ACV a par ailleurs été étudiée pour l'un de ces territoires. Les différences les plus notoires tiennent aux substitutions et montrent l'importance de développer la méthanisation en priorité lorsque le contexte local permet aux fonctions multiples de la filière de remplacer des filières existantes dont les impacts sur l'environnement sont particulièrement préjudiciables. / In France, the rapid development of anaerobic digestion (a process used to generate renewable energy by breaking down organic residues) has led to the environmental relevance of this solution being questioned. It is particularly worthwhile evaluating inasmuch as development of the sector forms part of national climate and energy plans. Centralised anaerobic digestion also fits in profitably with various industrial ecology approaches, with the multifunctionality of the process constituting a substantial asset in that it favours circular flows of materials and energy. However, this multifunctionality also represents the main source of the methodological difficulties encountered in the evaluation of the environmental performance of anaerobic digestion systems. Resolving this, i.e. defining the main function of a system, requires the environmental evaluation method to be contextualised. For life cycle assessment (LCA), this contextualisation emerges as being appropriate to the first stage of the methodology. This thesis puts forward a conceptual framework, aimed at defining anaerobic digestion scenarios that are consistent with the particularities of the territory in which they are located. To do this, a territorial systemic approach, involving geographic information systems (GIS) and object-oriented modelling, was developed. The approach has resulted in a spatial model for territorial location of a centralised anaerobic digestion solution, incorporating all its component parts, networks and variables. The systemic approach was followed by a phase of functional and spatial optimisation involving three successive sets of indicators, enabling the following to be defined: (i) the main function to be played by an anaerobic digestion system within the territory studied, (ii) the possible configurations of an anaerobic digestion system capable of fulfilling this main function and (iii) the preferential zones for locating the scenarios envisaged. This methodology, designed to be transposable to any territory within France, forms part of the first two LCA stages, i.e. definition of objectives and life cycle inventory. In order to validate the applicability of the method developed, the territorial systemic approach was applied to two different territories. These case studies highlight the links between specific territorial characteristics and the design of the local solution. The influence of the main function selected for an anaerobic digestion system on the performance and results of the LCA was also studied for one of these territories. The most noteworthy differences relate to substitution, highlighting the importance of developing anaerobic digestion as a priority when the local context makes it possible for the multiple functions of the solution to replace existing sectors with particularly harmful effects on the environment.

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

Cette thèse de doctorat, a consisté, dans une première partie, à introduire d’une part, la notion de l’analyse du cycle de vie « ACV » et celle des biocarburants. D’autre part, à présenter l’intérêt d’appliquer une ACV sur des biocarburants afin de valoriser leurs bilans énergétiques et analyser leurs impacts environnementaux face aux carburants conventionnels. Dans une deuxième partie, nous avons comparé, d’un point de vue énergétique et environnemental, 3 scénarios de production d’électricité : 2 scénarios de cogénération (turbine à vapeur et ORC) pour la production d’énergie électrique et thermique à partir de biomasse, et un scénario de cogénération par moteur diesel. Ces scénarios sont comparés à l’aide de deux méthodes orientées « analyse des dommages »: Eco-indicateur 99 (E) et IMPACT2002+Dans une troisième partie, on a abordé la valorisation du biogaz sous forme de carburant dans des moteurs "dual fuel" pour des engins agricoles dans le but de déterminer l’impact environnemental lié à l’utilisation de ce carburant alternatif au diesel par rapport aux autres biocarburants. Les méthodes Eco-indicateur 99 (E) et CML ont été utilisées ici. On a pu ainsi identifier les principaux polluants générés à chaque étape du cycle de vie de l’agrocarburant et les étapes qui ont les plus grands impacts environnementaux et on a identifié, selon nos critères et par rapport au contexte, le scénario énergétique le plus compatible avec le principe de développement durable. / This thesis has consisted in a first part to introduce, on one hand, the concept of each of: lifecycle assessment "LCA" and biofuels, on the other hand, to present the benefits of applying aLCA on biofuels to evaluate their energy balances and to analyze their environmental impactsagainst conventional fuels.In a second part, we compared, from point of view energetic and environmental, 3 scenariosof electricity production: 2 scenarios of cogeneration (steam turbine and ORC) for theproduction of electrical energy and of heat from biomass, and a scenario of cogeneration by adiesel engine, these scenarios have been compared using two damage-oriented analysismethods: Eco-indicator 99 (E) and IMPACT2002 +In a third part, we worked on the evaluation of methane as fuel in "dual fuel" engines foragricultural purpose, the aim was to determine the environmental impact associated with theuse of this alternative fuel for diesel compared to other biofuels. Methods Eco-indicator 99(E) and CML have been used here.We were able to identify the main pollutants generated at each stage of the life cycle ofbiofuel and the steps that have the greatest environmental impacts, and to identify, accordingto our criteria and to the context the energy scenario the most consistent with the principle ofsustainable development.

Cette thèse de doctorat, a consisté, dans une première partie, à introduire d'une part, la notion de l'analyse du cycle de vie " ACV " et celle des biocarburants. D'autre part, à présenter l'intérêt d'appliquer une ACV sur des biocarburants afin de valoriser leurs bilans énergétiques et analyser leurs impacts environnementaux face aux carburants conventionnels. Dans une deuxième partie, nous avons comparé, d'un point de vue énergétique et environnemental, 3 scénarios de production d'électricité : 2 scénarios de cogénération (turbine à vapeur et ORC) pour la production d'énergie électrique et thermique à partir de biomasse, et un scénario de cogénération par moteur diesel. Ces scénarios sont comparés à l'aide de deux méthodes orientées " analyse des dommages ": Eco-indicateur 99 (E) et IMPACT2002+Dans une troisième partie, on a abordé la valorisation du biogaz sous forme de carburant dans des moteurs "dual fuel" pour des engins agricoles dans le but de déterminer l'impact environnemental lié à l'utilisation de ce carburant alternatif au diesel par rapport aux autres biocarburants. Les méthodes Eco-indicateur 99 (E) et CML ont été utilisées ici. On a pu ainsi identifier les principaux polluants générés à chaque étape du cycle de vie de l'agrocarburant et les étapes qui ont les plus grands impacts environnementaux et on a identifié, selon nos critères et par rapport au contexte, le scénario énergétique le plus compatible avec le principe de développement durable.

Cette thèse de doctorat, a consisté, dans une première partie, à introduire d’une part, la notion de l’analyse du cycle de vie « ACV » et celle des biocarburants. D’autre part, à présenter l’intérêt d’appliquer une ACV sur des biocarburants afin de valoriser leurs bilans énergétiques et analyser leurs impacts environnementaux face aux carburants conventionnels. Dans une deuxième partie, nous avons comparé, d’un point de vue énergétique et environnemental, 3 scénarios de production d’électricité : 2 scénarios de cogénération (turbine à vapeur et ORC) pour la production d’énergie électrique et thermique à partir de biomasse, et un scénario de cogénération par moteur diesel. Ces scénarios sont comparés à l’aide de deux méthodes orientées « analyse des dommages »: Eco-indicateur 99 (E) et IMPACT2002+Dans une troisième partie, on a abordé la valorisation du biogaz sous forme de carburant dans des moteurs "dual fuel" pour des engins agricoles dans le but de déterminer l’impact environnemental lié à l’utilisation de ce carburant alternatif au diesel par rapport aux autres biocarburants. Les méthodes Eco-indicateur 99 (E) et CML ont été utilisées ici. On a pu ainsi identifier les principaux polluants générés à chaque étape du cycle de vie de l’agrocarburant et les étapes qui ont les plus grands impacts environnementaux et on a identifié, selon nos critères et par rapport au contexte, le scénario énergétique le plus compatible avec le principe de développement durable. / This thesis has consisted in a first part to introduce, on one hand, the concept of each of: lifecycle assessment "LCA" and biofuels, on the other hand, to present the benefits of applying aLCA on biofuels to evaluate their energy balances and to analyze their environmental impactsagainst conventional fuels.In a second part, we compared, from point of view energetic and environmental, 3 scenariosof electricity production: 2 scenarios of cogeneration (steam turbine and ORC) for theproduction of electrical energy and of heat from biomass, and a scenario of cogeneration by adiesel engine, these scenarios have been compared using two damage-oriented analysismethods: Eco-indicator 99 (E) and IMPACT2002 +In a third part, we worked on the evaluation of methane as fuel in "dual fuel" engines foragricultural purpose, the aim was to determine the environmental impact associated with theuse of this alternative fuel for diesel compared to other biofuels. Methods Eco-indicator 99(E) and CML have been used here.We were able to identify the main pollutants generated at each stage of the life cycle ofbiofuel and the steps that have the greatest environmental impacts, and to identify, accordingto our criteria and to the context the energy scenario the most consistent with the principle ofsustainable development.

Dans le cadre des législations européennes relatives au traitement des déchets et aux énergies renouvelables, la méthanisation apparaît comme une alternative prometteuse pour la stabilisation et la valorisation des Ordures Ménagères Résiduelles (OMR). D'un point de vue opérationnel l'hétérogénéité et les difficultés de mise en mouvement d'une matrice aussi complexe que les OMR sont à l'origine de pertes de rendement voire de l'arrêt d'installations de méthanisation. Les performances de méthanisation sont en particulier limitées par l'étape d'hydrolyse des fractions lignocellulosiques qui représentent la majorité du potentiel méthanogène des OMR. Dans ce contexte, l'objectif principal du travail de thèse, était l'étude d'un procédé de percolation dans lequel le déchet n'est pas mis en mouvement. Au travers de ce travail nous avions également pour ambition de produire des connaissances à caractère plus générique sur l'hydrolyse afin d'en améliorer les performances. Des expériences préliminaires ont d'abord permis la définition d'un système expérimental adéquat pour l'étude à l'échelle laboratoire de l'hydrolyse des OMR. La représentativité d'un déchet reconstitué, reproductible et d'utilisation aisée, a notamment été vérifiée en termes de potentiel méthanogène, de profil hydrolytique et de flore microbienne. Suite à la définition de ce système expérimental, son comportement hydrolytique a été comparé à celui d'un test de lixiviation de référence (NF EN 12457-4) afin de valider l'intérêt opérationnel de la percolation pour l'hydrolyse des OMR. De façon inattendue, l'extraction de 38,90% de la matière carbonée initiale du déchet a ainsi été mise en évidence lors de l'hydrolyse par percolation contre 17,84% lors de l'hydrolyse par lixiviation, renforçant l'intérêt suscité par la percolation pour l'hydrolyse des OMR. L'optimisation des performances d'hydrolyse par percolation a ensuite été réalisée par le criblage de huit paramètres opérationnels afin de déterminer leur influence sur les performances d'hydrolyse des OMR, au travers de deux plans d'expérience. L'ajout d'alcalinité (12 gHCO3-.L-1) et la recirculation du percolat pendant 6 h par jour ont ainsi permis d'augmenter significativement les performances d'hydrolyse, passant de 17 à 43% d'extraction de la matière organique (DCO) initiale du déchet (autrement dit de 26 à 69% de la matière biodégradable initiale). L'étude des communautés microbiennes et de leur activité a également été réalisée. Le séquençage des pyrotags d'ADNr 16S a ainsi permis de mettre en évidence le caractère dominant des Classes Clostridia et Bacteroidia au sein des communautés hydrolytiques. Le couplage de cette démarche qualitative à une approche quantitative par qPCR sur une série de biomarqueurs taxonomiques et fonctionnels a permis de montrer qu'il existe une corrélation positive entre l'ajout de carbonates, la neutralisation du pH, la quantité de matière hydrolysée à 14 jours et soit l'abondance de la Classe Bacteroidia soit celle des gènes de la famille hydA, impliqués dans la fermentation. Finalement, l'analyse microbiologique a été approfondie au jour 4, c'est-à-dire durant la phase d'hydrolyse intense, grâce à une approche de métatranscriptomique. L'analyse des transcrits fonctionnels indique que l'alcalinité influence l'activité des microorganismes de la Classe Clostridia dès le jour 4 des essais d'hydrolyse. Plus spécifiquement, l'ajout de carbonates semble corrélé à une modification du métabolisme des sucres chez des microorganismes non cultivables apparentés à Clostridium cellulolyticum et à l'augmentation de l'expression de l'opéron nif, impliqué dans la fixation de l'azote, chez différents groupes de microorganismes. / In the framework of the European green policy, anaerobic digestion appears as a promising technology for stabilization and valorization of Municipal Solid Waste (MSW). In practice, mechanical mixing of a complex and heterogeneous matrix such as MSW induces major operational constraints. Anaerobic digestion performances are especially limited by hydrolysis of lignocellulosic fractions which represent the main part of MSW methanogenic potential. In this context, this PhD project was aiming to characterize and optimize of a percolation process in which MSW stands still. Preliminary experiments were conducted in order to define an experimental system suitable for lab-scale study of MSW hydrolysis. Therefore, the representativeness of an easy-to-use and reproducible reconstituted waste was verified in terms of methanogenic potential, hydrolytic profiles and associated microbial communities. Following system definition, hydrolysis behavior by percolation was compared to a reference lixiviation test (NF EN 12457-4). Surprisingly, hydrolysis by percolation permitted the extraction of 39% of carbonated matter initially contained in waste whereas 18% were extracted during hydrolysis by lixiviation, thus validating operational benefit of percolation for MSW hydrolysis. Optimization of hydrolysis performance was then conducted through the screening of eight operational parameters for their influence on MSW hydrolysis performances thanks to two Designs Of Experiment (DOE). Cumulative effect of alkalinity addition (12 gHCO3-.L-1) and percolate recirculation (6 hour.day-1) significantly improved hydrolysis yield, from 17 to 43% of extracted organic matter compared to the initial content of waste (corresponding to an extraction of 26 and 69% of biodegradable matter). Structure and activity of hydrolytic microbial communities were also studied. 16S rDNA-pyrotags sequencing brought out the dominance of classes Clostridia and Bacteroidia. Additionally, a quantitative approach led by qPCR revealed a correlation between carbonates addition, pH neutralization, amounts of hydrolyzed matter at day 14 and either class Bacteroidia or genes from hydA family, involved in fermentation. Finally, metatranscriptomic approach was conducted at day 4 in order to further study microbial activity during the intense hydrolysis phase. According to functional analysis, alkalinity seems have positive influence on class Clostridia activity. More specifically, carbonates addition seems correlated to a modification of carbohydrates metabolism of organisms affiliated to Clostridium cellulolyticum and to transcriptional up-regulation of nif operon, involved in nitrogen fixation, among various types of microorganisms.

Accélérer la dégradation anaérobie des déchets enfouis, optimiser la production de biogaz et diminuer le temps et le coût de surveillance sont les enjeux principaux d'installation de stockage des déchets non dangereux (ISDND)-bioactives, ainsi que, plus classiquement, minimiser leurs impacts sanitaires et environnementaux. L'une des méthodes les plus efficaces pour atteindre ces objectifs est la recirculation de lixiviat et l'augmentation de l'humidité des déchets. Les objectifs du bioréacteur ne seront pas atteints sans une connaissance rationnelle des phénomènes hydrauliques, biologiques et thermiques qui s’y développent et de l’influence de l'un de ces phénomènes sur les autres. Les observations in situ, les expérimentations en laboratoire ainsi que les modèles numériques permettent ensemble une approche rationnelle de ces phénomènes. C’est ce qui constitue le corps de ce travail de thèse, où nous avons étudié le comportement hydro-thermo-biologique des déchets dans la phase anaérobie en laboratoire, sur site à partir de données hydro-thermiques de deux bioréacteurs situés en France et en développant un modèle numérique pour simuler ce comportement couplé des bioréacteurs. Les travaux en laboratoire nous ont permis d’étudier l’effet de la saturation et de la densité (compactage des déchets) sur la dégradation anaérobie des déchets ménagers et l’influence de ces paramètres sur la production de biogaz. Les données hydrauliques et thermiques in-situ des bioréacteurs nous ont permis de connaître les variations des paramètres essentiels comme la température et la saturation dans les déchets, à différentes profondeurs, et estimer d’autres paramètres qui sont difficile à déterminer expérimentalement. Le modèle numérique nous a permis d’étudier le comportement couplé, hydro-thermo-biologique, des bioréacteurs à long terme (pendant une dizaine d’années) aussi bien qu’à court terme pendant la recirculation de lixiviat. L’interdépendance des différents paramètres qui influent la dégradation des déchets est la principale raison nous ayant conduits à développer un modèle de couplage qui nous permette d'étudier chaque paramètre en fonction des autres. Les travaux en laboratoire et les données thermiques de site nous ont conduits à développer un modèle d'écoulement diphasique du liquide et du gaz dans les déchets, considérant les phénomènes biologiques, en fonction des paramètres clés de la dégradation comme la température et la saturation, pour aboutir à la production de biogaz et de chaleur. Les trois parties de ce travail, les expérimentations en laboratoire, le développement d'un modèle numérique et l’analyse des données de site ont été effectuées en parallèle de façon complémentaire. Les expérimentation de laboratoire tout comme l’analyse des données de site, nous ont montré l'importance des paramètres qu'il faut considérer dans le modèle et en retour le modèle numérique nous a aidé à diriger les expérimentations en laboratoire et montré la nécessité de conduire certaines analyses sur les pilotes expérimentaux, comme l’analyse de la biomasse, de la DCO et des AGV. L'analyse des données hydrauliques et thermiques de sites de bioréacteur nous a permis de caler les paramètres hydrauliques, biologiques et thermiques des déchets qui sont difficile à définir sur le site sans le perturber (comme la conductivité hydraulique, la saturation, la conductivité thermique, la capacité calorifique, la concentration en biomasse et en AGV). Le travail réalisé dans la thèse a permis de développer un modèle couplé hydro-thermo-biologique et de tester sa capacité à prévoir le comportement thermique d'un bioréacteur, la production totale et le taux de production de méthane. Nous avons montré qu'il était adopté à l'étude du comportement à long terme d'un bioréacteur, aussi bien qu'à court terme pendant la réinjection de lixiviat, là où les techniques de mesure et le temps sont limitants en laboratoire ou sur site / The main objectives of bioreactor landfills are to accelerate anaerobic degradation of waste in order to minimize the environmental impacts, to optimize biogas production and to minimize the time of waste stabilization as well as the costs and time of monitoring of landfill sites after operation. One of the most important and cost-effective method to achieve these objectives is liquid addition and management. The objectives of bioreactor landfills could not be achieved without enough knowledge of its hydraulic, thermal and biological parameters and processes and the effects of each of them on the others. Site observations and data and laboratory experiments as well as numerical models could help to develop the knowledge of these phenomena and processes, which is the objective of this work. In this thesis we study the coupled hydro-thermo-biological behavior of bioreactor landfills in the anaerobic phase in the laboratory and using site data of two bioreactor landfills in France and developing a numerical coupled model. The laboratory experiments help us to know the effect of such important parameters as saturation and density of wastes on anaerobic degradation and biogas production. The site data help us to know the variations of saturation and temperature of wastes in a bioreactor landfill in different depths, as two key factors of anaerobic degradation and biogas production. Site analysis helps also to estimate some parameters as hydraulic and thermal conductivity of wastes, which are hard to measure in situ without disturbing the landfill site. The numerical model helps us to study the coupled behavior of bioreactor landfills during leachate recirculation, as well as on the long term during many years. The interdependence of various parameters which influence waste degradation and thermo-biological phenomena in a bioreactor landfills is the main reason of development of this coupled model. This model makes it possible to study each key parameter, as saturation and temperature, as a function of other parameters. Laboratory experiments and site data analysis lead to develop a biological model of degradation to be coupled with a two-phase flow model of liquid and gas. The three parts of this thesis, laboratory experiments, site data analysis and development of the numerical coupled model were carried out in parallel and in a complementary manner. Laboratory experiments as well as site data analysis showed us the importance of some parameters to be considered in the numerical model and coupled behavior. In return numerical model showed the importance of considering the temperature dependence behavior of microbial activity and the necessity of biomass, VFA and COD analysis in laboratory experiments. The analysis of hydraulic and thermal site data led to estimate parameters which are hard to measure in situ or in the laboratory, as hydraulic and thermal conductivity of waste, saturation, thermal conductivity of cover layer and heat capacity of waste. The numerical coupled hydro-thermo-biological model seems to be efficient enough to predict biogas and methane production in bioreactor and classical landfills and to reproduce their correct behavior