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The overall objective of this work is the design and the reliability of biological processes allowing the treatment of industrial wastewater containing inhibitory xenobiotics, more or less readily biodegradable after acclimation. In fact, biological processes type of activated sludge, treating industrial wastewater, are subject to significant disruptions related to inhibitory organic molecules. The temporal variation, both in the pollutant’s concentration and nature, represent one of the common problems of these systems supposed to ensure reliable processing.As a first step, our study of the degradation of an organic inhibitory molecule: p-Nitrophenol (p-NP) in batch reactor (fed-batch), showed the variation of kinetic parameters in relation to the level of microbial population acclimation. Therefore, we analyzed the effect of operating conditions for acclimation phase of the kinetic parameters of a mixed culture degrading p-NP. A specific mathematical model was proposed to simulate the dynamic operation of the activated sludge process. We validated this model through a parametric identification. The same model will be used in the next section.As a second step, we used a multi-criteria optimization method for activated sludge process design. This design was obtained by considering the biological dynamics inside the bioreactor as well as toxic overload events. The developed approach is based on modeling associated to indexes cost analysis. In addition to the case of p-NP, an extension of this study is proposed for a hydrophobic micropollutant molecule, namely a polycyclic aromatic hydrocarbon: phenanthrene.; Ce travail de thèse a pour objectif général la conception et la fiabilisation des procédés biologiques, traitant des Eaux Résiduaires Industrielles (ERI) contenant des xénobiotiques inhibiteurs, plus ou moins facilement biodégradables après acclimatation. En effet, les procédés biologiques par boues activées traitant des ERI sont soumis à des perturbations importantes liées à des molécules organiques inhibitrices. La variation temporelle, à la fois, dans la concentration et dans la nature des polluants est une des problématiques de ces systèmes qui doivent garantir une fiabilité du traitement.Dans un premier temps, l’étude de la dégradation d’une molécule organique modèle inhibitrice : le p-Nitrophénol (p-NP) en réacteur batch (alimentation discontinue) a montré la variabilité des paramètres cinétiques en fonction du niveau d’acclimatation de la population. Par conséquent, l'effet des conditions opératoires d'une phase d’acclimatation sur les paramètres cinétiques d'une culture mixte dégradant le p-NP, a été étudié. Un modèle mathématique spécifique, a été proposé afin de simuler le fonctionnement dynamique d’un procédé à boues activées. Une identification paramétrique a permis la validation de ce modèle qui sera utilisé dans la partie suivante.Ensuite une méthode d'optimisation multicritères pour dimensionner le procédé à boues activées a été utilisée. Ce dimensionnement a été effectué en prenant en compte la dynamique biologique à l’intérieur des bioréacteurs, ainsi que les évènements de surcharge toxiques. L’approche développée est basée sur la modélisation associée à l'analyse des indices de coûts. Outre le cas du p-NP qui est une molécule hydrophile, une extension de cette analyse est proposée pour un micropolluant hydrophobe : Il s’agit d’un hydrocarbure aromatique poly-cyclique : le phénanthrène.