Les bioprocédés environnementaux prennent une place de plus en plus importante dans le paysage industriel mondial. La complexité et la diversité des processus impliqués dans les réactions biologiques de dégradation des polluants limitent considérablement la compréhension et l'utilisation de ces procédés. De plus, les mesures disponibles pour le suivi de cette activité sont souvent hors-ligne et/ou indirectes. Dans ce cadre, les outils de modélisation phénoménologique permettent, via le choix d'hypothèses judicieuses, de lier les observations du système aux processus biologiques sous-jacents. Ces méthodes nécessitent néanmoins l'application d'une étude rigoureuse d'identifiabilité afin de pouvoir exploiter correctement les résultats obtenus. Les modèles ainsi développés permettent de capitaliser des connaissances sur la description des processus biologiques grâce aux mesures effectués sur le système. Cette approche a été développée au travers de deux cas d'étude, correspondant à deux domaines d'application industrielle La bioremédiation des sols contaminés aux hydrocarbures constitue la méthode la plus écologique de traitement des sols. Néanmoins, le processus de biodégradation peut être long voire, inexistant en fonction des conditions environnementales. Afin de mesurer l'efficacité de la dégradation, la mesure de la respiration en phase gaz apparaît comme étant l'observation la plus facile à mettre en œuvre. Le problème est que la simple mesure de la consommation d'oxygène est généralement insuffisante.
Pour répondre à cette limite, un modèle capable d'expliquer les évolutions du quotient respiratoire apparent grâce aux différentes étapes de la biodégradation a été développé. Cette mesure pourrait alors donner une indication sur l'efficacité de la biodégradation. La seconde partie de ce travail, plus conséquente, s'intéresse à l'épuration des eaux usées par boues activées, elle reprend et amplifie l'approche méthodologique développée pour la biomédiation des sols. L'efficacité de ce traitement des eaux est grandement liée à la production de boues en excès, exprimée par le rendement hétérotrophe. Ce paramètre difficile à maitriser constitue une information primordiale pour la modélisation et la conduite des stations d'épurations. Il apparaît néanmoins que sa définition usuelle ne suffit pas à expliquer ses variations observées. Dans ce cadre, différents modèles phénoménologiques issus des travaux du groupe de travail ASM (Activated Sludge Modeling) ont été étudiés afin de décrire les variations de ce rendement apparent en introduisants les hypothèses réactionnelles liées au stockage du substrat. Une étude expérimentale en laboratoire a permis de confronter ces hypothèses à des mesures de dégradation de substrats purs par des boues activées en respiromètre. L'équilibre entre le stockage du substrat et la croissance bactérienne a ainsi été proposé comme source d'influence majeure sur la valeur du rendement. Ce travail a abouti à une clarification nécessaire de la définition du rendement hétérotrophe.