Après avoir obtenu une licence en physique fondamentale, Mathieu s’est orienté vers le domaine de l’environnement avec une maitrise en océanographie et en météorologie, puis une maîtrise spécialisée dans la surveillance et la gestion de l’environnement à l’Université Toulouse III. Une formation complémentaire en traitement des eaux usées lui a permis d’intégrer le LISBP (Laboratoire d’ingénierie des systèmes biologiques et des procédés) à l’INSA de Toulouse en tant que stagiaire, puis comme ingénieur d’étude pendant un an. Il commença ensuite une thèse dans ce laboratoire.

Son projet portait sur la modélisation de la production de N2O lors du traitement biologique de l’azote par un procédé de granulation aérobie hybride. Ce procédé est basé sur l’alternance de phases anoxie/aérobie et utilise une boue hybride comprenant une fraction de flocs et de granules qui permet d’éliminer l’azote par nitrification/dénitrification. Cette élimination biologique de l’azote induit une production de N2O qui a été caractérisée expérimentalement. Un des objectifs de la thèse de Mathieu était donc de construire, calibrer et valider un modèle biologique permettant de décrire ces réactions biologiques et ces processus d’émissions de N2O par une boue hybride.