Les flux d'air intérieurs, d'origine naturelle ou mécanique, participent de manière significative au transport de particules et aux transferts thermiques au sein des bâtiments. Que ce soit pour des raisons de santé et sécurité au travail, de confort thermique ou encore d'économie d'énergie, il est crucial de pouvoir les étudier sur place pour mieux les maîtriser. L'objectif de cette thèse aura été de développer une méthode permettant de mesurer sur site, la vitesse de flux d'air intérieurs sur de grands domaines d'observation (supérieurs au mètre carré). Pour cela, nous nous sommes tournés vers les techniques basées images qui consistent à suivre le mouvement de traceurs passifs introduits dans l'air pour en déduire une estimation de sa vitesse. Ce type de méthode est déjà largement utilisé en laboratoire de recherche pour étudier les écoulements dans des contextes bien maîtrisés. Cependant, le passage à la mesure sur le terrain et à l'observation grand champ nécessitent quelques adaptations. Ces adaptations concernent notamment le choix de nouveaux traceurs, l'éclairage ainsi que la méthode d'estimation de mouvement à partir de séquences d'images. Dans un premier temps, nous avons développé un algorithme d'estimation de mouvement permettant l'estimation de la vitesse aux grandes échelles à partir d'images de particules et d'images de scalaire. Nous avons ensuite éprouvé en soufflerie, sur des écoulements de couche de mélange et de sillage de cylindre, une méthode de mesure basée image grand champ n'utilisant qu'une seule caméra, un éclairage LED, des traceurs de type bulles ou fumée ainsi que l'algorithme évoqué plus haut. Nous avons confronté la mesure obtenue à une mesure réalisée par anémométrie à fil chaud. Les résultats de cette campagne de mesure ont montré la capacité de la méthode à mesurer les principales caractéristiques des écoulements considérés. Enfin, nous avons appliqué la méthode développée à une mesure sur site du flux d'aspiration d'une sorbonne de laboratoire en conditions réelles de fonctionnement. Cette mesure a permis de mettre en évidence des zones de forte turbulence et de recirculation, sources de fuites potentielles.

Dans cette thèse, on s’intéresse à l’application du domaine de la vision par ordinateur à la vélocimétrie de surface des rivières. Les hydrauliciens utilisent déjà plusieurs routines de traitement d’images pour traiter des vidéos de rivières. Le but ultime est d’estimer la vitesse surfacique d’un cours d’eau par une méthode sans contact. Cela permet aux chercheurs d’éviter les risques liés au jaugeage intrusif des rivières, notamment en période de crue. Dans ce but, deux enjeux sont à prendre en compte. Tout d’abord, le mouvement apparent de la rivière dans l’espace image doit être estimé. Ensuite, ce mouvement, estimé en pixels par unité de temps, doit être transformé en une vitesse réelle exprimée en mètres par seconde par exemple. Jusqu’au présent, les méthodes de vélocimétrie par images imposent quelques contraintes sur les séquences pour qu’elles soient exploitables (notamment une caméra fixe et le besoin de la présence physique des équipes hydrauliques au site de jaugeage avant ou après l’événement). Dans cette thèse, on vise à élargir ce périmètre en incluant les vidéos prises par des amateurs (c’est à dire de paramètres inconnus, et avec un mouvement potentiel de la caméra) tout en présentant de meilleures solutions pour les enjeux précédemment mentionnés.

Le phosphore est un élément crucial pour la vie sur Terre, de par son implication dans les processus bioénergétiques, le stockage et le traitement de l'information génétique. C'est également l'un des nutriments limitants en agriculture, aux côtés de l'azote et du potassium. Depuis la révolution verte au milieu du 20ième siècle, le monde agricole est dépendant des engrais phosphorés à bas coûts, fabriqués à partir d'une ressource fossile et nécessaires à l'amélioration des rendements des cultures à même de répondre aux besoins en nourriture d'une population en forte croissance. Cependant cette ressource, la roche phosphatée, s'épuise progressivement. De plus, son utilisation est très peu efficiente : moins de 20% du phosphore extrait se retrouve effectivement dans la nourriture consommée. L'une des raisons de cette faible efficience est la spécialisation de régions entières dans des productions agricoles spécifiques. Ainsi, les régions spécialisées dans les cultures à hauts rendements ont besoin de grandes quantités d'engrais minéraux alors que les régions d'élevage intensif ont des excédents de lisier sans terres agricoles suffisamment grandes et proches pour servir de zones d'épandage. L'épandage excessif de lisier en Bretagne est la cause première d'eutrophisation des cours d'eau. Le phosphore contenu dans le lisier porcin pourrait être recyclé sous forme de struvite (MgNH4PO4,6H2O), un engrais phosphaté à dissolution lente, très concentré et facilement transportable vers les régions de cultures végétales nécessitant une fertilisation phosphatée importante. Le phosphore du lisier porcin étant initialement présent sous une forme minérale solide, il est nécessaire de le dissoudre avant de le précipiter en struvite. Parce-que la dissolution par acidification chimique est trop chère et implique un mauvais bilan environnemental, le procédé développé lors de cette thèse utilise l'acidogénèse, un procédé biologique au cours duquel la matière organique est convertie en acides organiques en absence d'oxygène, acidifiant naturellement le lisier porcin. Différents déchets organiques ont été testés en tant que co-substrats dans du lisier porcin brut ou digéré, provoquant une fermentation de type lactique lorsque le co-substrat possédait une forte teneur en glucides facilement biodégradables, et une fermentation avec de nombreux acides organiques produits lorsque la teneur en glucides facilement biodégradables était faible. Il a pu être démontré que la fermentation lactique était le fait de bactéries appartenant au genre Lactobacillus, alors que divers Clostridiales dominaient lors des autres fermentations avec la production d'acétate, propionate, butyrate et valérate. Un réacteur en semi continu alimenté d'un mélange de lisier brut de petit pois et de carottes a permis la dissolution de 50% du phosphore total soit 750 mg-P/L. Après centrifugation, 3.4 g d'hydroxyde de magnésium par litre de surnageant a été ajouté afin d'élever le pH à 8 et ainsi précipiter la struvite. 99% du phosphore dissous a alors été abattu. Le solide obtenu contenait 70% de struvite, un léger excès de phosphore et de magnésium, ainsi que de la matière organique. L'acidogénèse permet l'hydrolyse de la matière organique complexe et la formation d'acides organiques. De ce fait, ce procédé de recyclage du phosphore contenu dans le lisier porcin pourrait être implémenté dans les nombreuses unités de méthanisation présentes en Bretagne et qui traitent des effluents animaux ainsi que des déchets organiques d'origine agricole, industrielle et municipale. La struvite obtenue pourrait être vendue dans les régions ayant besoin de fertilisation phosphatée alors que la matière organique du digestat pourrait être maintenue en Bretagne. Un tel procédé réduirait significativement l'eutrophisation due à l'épandage excessif du lisier tout en diminuant les besoins en fertilisants minéraux fossiles grâce à une source alternative aux performances fertilisantes équivalentes.

La migration de l’eau est un sujet générique dans divers domaines dont l'analyse permet de mieux comprendre les propriétés rhéologiques, sensorielles et de conservation des produits au cours du temps. Les apports de la relaxométrie et de la micro-imagerie par RMN dans ce domaine sont larges et d’un intérêt majeur au vue des caractéristiques non-invasives, non-destructives et quantitatives de ces méthodes, utilisables alors que le produit est en cours de transformation. Deux méthodologies ont été développées afin d’étudier les transferts de protons sur une large gamme de temps et de distance. La première a consisté à implémenter de nouvelles méthodes d’acquisition et de traitement du signal de RMN à bas champ (20 MHz) en 2D pour corréler non seulement les temps de relaxation T1 et T2 mais également les coefficients de diffusion translationnelle D et T2 sur des échantillons modèles amidon-eau de diverses origines botaniques (blé, pomme de terre et maïs cireux). Les mesures 2D se sont révélées suffisamment robustes pour quantifier les transferts de protons de l’eau et des polymères d’amidon pendant leur gonflement, leur gélatinisation et leur rétrogradation. Une approche complémentaire en micro-imagerie par RMN (500 MHz) a consisté à mesurer au cours du temps des profils de concentration de l’eau pénétrant sur plusieurs millimètres dans un extrudé d’amidon de pomme de terre contenant du glycérol. La diffusion de transport de l'eau et le taux de gonflement de l’extrudé ont été quantifiés à 22°C pendant plus de 20h.

Ces travaux de thèse porte sur l'étude d'un procédé de traitement des eaux usées intitulé "anammox". C'est un procédé biologique reposant sur le métabolisme d'un groupe de bactéries du même nom permettant l'épuration de l'azote. Ces travaux développent une méthodologie pour leur identification et leur culture et aboutissent à la mise en application de bio-réacteur de traitement à l'échelle du laboratoire.

L'objectif de la thèse est de caractériser des populations bactériennes susceptibles de dégrader la lignine des résidus de culture afin d'optimiser la biodisponibilité du compartiment holocellulosique. L'originalité du sujet réside dans la recherche de bactéries ligninolytiques en utilisant des approches combinant à la fois de l'isolement de souches, des techniques de biologie moléculaire et de la mise en œuvre de ces micro-organismes à l'échelle de réacteur pilote, dans le cadre de prétraitements des résidus de culture. Les travaux de recherche ont été réalisés pour mettre en évidence et identifier des micro-organismes potentiellement intéressants et caractériser leurs systèmes enzymatiques susceptibles d'intervenir dans la dégradation de la lignine. Suite à l'isolement de plusieurs souches d'intérêts et à la mise en place de réacteurs, des expérimentations ont été réalisées afin de suivre l'effet des prétraitements biologiques sur la dégradation de la biomasse et notamment par l'étude des transformations biochimiques, de l'accessibilité à la cellulose ainsi que de l'évolution des communautés microbiennes. Les résultats de ces travaux ont montré que la communauté endogène joue un rôle primordial dans la biodégradation de la paille de colza. Bien que l'inoculation de bactéries exogènes ait eu peu d'influence, il est possible d'améliorer l'accessibilité à cellulose par un mélange de lignine et des sels minéraux permettant d'enrichir la communauté endogène active. Cette thèse s'articule autour de plusieurs analyses multi-échelles et complémentaires permettant de développer un prétraitement biologique de résidu de culture, d'améliorer sa mise en œuvre et son utilisation pour la digestion anaérobie par voie sèche ou la production de bioéthanol.

Compte tenu de la forte incitation réglementaire à la valorisation de déchets de cuisine, le développement de procédés de méthanisation à petite échelle (10 à 100 T de déchets par an) pourrait voir un essor potentiellement important. Cependant, la simplicité (préparation limitée des substrats, peu d'apport d'eau) et la robustesse (stabilité) du procédé représente des enjeux cruciaux pour valider cette échelle de fonctionnement. Dans le procédé de méthanisation, l'étape de l'hydrolyse reste la plus limitante due, d'une part, à une lente cinétique, qui provoque une dégradation non uniforme des carbohydrates structuraux (p.ex. la cellulose), et d'autre part, d'une transformation rapide des composants facilement biodégradables, ce qui peut générer une accumulation des acides gras volatiles, conduisant à une inhibition de l'activité méthanogène. Dans l'objectif de surmonter les problèmes liés à l'étape de l'hydrolyse, de nombreux travaux ont été menés sur les prétraitements mécaniques, thermiques, ou chimiques de la matière organique. En comparaison, l'utilisation d'une pré-étape aérobie a été relativement peu étudiée. Un prétraitement aérobie pourrait aider à éliminer les fractions les plus biodégradables pour limiter les risques d'acidose du milieu et à mieux dégrader certaines fractions de la matière organique plus résistante. Toutefois l'utilisation d'un prétraitement aérobie peut provoquer une oxydation excessive des déchets, limitant leur potentiel méthanogène. Par conséquent, il est indispensable de bien maîtriser les conditions d'aération. Ce travail de thèse avait donc l'objectif de valider l'impact du prétraitement aérobie dans la digestion anaérobie de déchets de cuisine et de suggérer quel mode de mise en œuvre du prétraitement aérobie faudrait préconiser.

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.

D'une part, les équations de Navier-Stokes permettent de décrire les écoulements fluides, la littérature est riche de méthodes numériques permettant la résolution de celle-ci. D'autre part, nous sommes capables de mesurer de manière non-intrusive différentes caractéristique d'un écoulement (champ de vitesse et pression, etc.). Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons aux techniques d'assimilation de données qui combinent les modèles numériques avec les observations afin de déterminer une meilleure approximation du système. Cette thèse s'articule autour de l'assimilation de donnée variationnelle (4DVar) qui est plus précise par construction. Nous avons mené une première application sur la reconstruction de la hauteur et vitesse de la surface libre d'un fluide contenu dans un récipient rectangulaire à fond plat. L'écoulement est modélisé par les équations de shallow water et résolues numériquement. Les observations de l'évolution de la hauteur de la surface libre ont été prélevées par un capteur de profondeur (Kinect). Nous avons comparé les résultats de la reconstruction par 4DVar avec plusieurs version de la méthode d'assimilation hybride 4DEnVar. Enfin, nous avons appliqué la technique 4DVar à la reconstruction volumique de l'aval d'un sillage de cylindre à Reynolds 300. L'écoulement turbulent a été simulé par un code DNS parallèle Incompact3D. La reconstruction a été effectué en combinant tout d'abord des observations synthétiques en trois dimension, puis en combinant des observations de plans orthogonales en stéréo PIV.

La listériose est une maladie rare mais grave d’origine alimentaire provoquée par Listeria monocytogenes. En raison de sa capacité de survie importante dans les sols, la présence de cette bactérie dans les effluents d’élevages porcins destinés à être épandus constitue un problème de santé publique. L’un des facteurs pouvant expliquer la persistance de L. monocytogenes dans l’environnement est sa capacité à entrer dans un état viable mais non cultivable (VNC). Nos travaux avaient pour objectif, d’une part de suivre le comportement de L. monocytogenes dans les effluents d'élevages porcins (lisier et effluent de lagune) et notamment les formes VNC, et d’autre part d’étudier son adaptation lors de son transfert dans les effluents de lagune et dans le sol. Dans un premier temps, nous avons optimisé les conditions de la qPCR couplée au propidium monoazide (qPCR-PMA) afin d’adapter cette méthode au dénombrement des formes VNC de L. monocytogenes dans le lisier et l’effluent de lagune. Dans un second temps, nous avons comparé par méthode culturale, qPCR-PMA et qPCR, la survie de deux souches de L. monocytogenes RifR de sérogroupes IIb et IVb inoculées dans deux lisiers et dans deux effluents de lagune incubés à 8°C et 20°C. Malgré leur origine et leur sérotype différents, les deux souches ont présenté une survie similaire dans toutes les conditions testées. La survie des deux souches a été affectée par la température (une persistance plus élevée a été observée à 8°C) et par l’origine des effluents. Cette étude a mis en évidence que L. monocytogenes était capable d’entrer dans l’état VNC dans les lisiers et les effluents de lagune indépendamment de la température. Les formes VBNC qui représentaient 83 à 99,8% des bactéries viables après 60 jours d’incubation, sont apparues dès les premières heures de contact avec les effluents. Leur proportion, plus élevée en début d’expérience dans les lisiers que dans les effluents de lagune, était cependant du même ordre de grandeur dans les deux types de matrices après 60 jours. Afin de mieux comprendre l’adaptation de L. monocytogenes lors de son transfert dans l’effluent de lagune et dans le sol, nous avons comparé le transcriptome par la technologie RNA-seq de la souche CIP 110868, isolée d’un lisier, inoculée dans des extraits stériles d’effluent de lagune et de sol. L’analyse du transcriptome a été réalisée à T0 (génome de référence), après 20 minutes et 20 heures d’incubation. L’analyse par enrichissement fonctionnel a révélé des modifications transcriptomiques dès les 20 premières minutes d’incubation dans les deux matrices. Une augmentation du taux de transcrit de gènes impliqués dans le transport de protéines et de sucres a été observée. Le taux de transcrit des gènes contrôlés par le facteur sigmaB est augmenté indiquant la mise en place d’une réponse aux stress osmotiques et thermiques. De plus, l’adaptation de la souche CIP 110868 dans les extraits de sol et d’effluent de lagune s’est accompagnée d’une augmentation au cours du temps des taux de transcrit des gènes impliqués dans la virulence et des gènes sous le contrôle du régulateur prfA.