Caractérisation de la matière organique par spectrofluorimétrie 3Dpour la modélisation de la digestion anaérobie des boues issues de stations d‘épuration

par Julie Jimenez

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Jean-Philippe Steyer et de Fabien Vedrenne.

Le président du jury était Alain Grasmick.

Le jury était composé de Jean-Philippe Steyer, Fabien Vedrenne, Alain Grasmick, Fabrice Béline, Peter A. Vanrolleghem, Yves Dudal.

Les rapporteurs étaient Fabrice Béline, Peter A. Vanrolleghem.


  • Résumé

    Dans un contexte énergétique en crise, les sources alternatives d'énergie et d'économie d'énergie sont primordiales. Fort de ce constat, la station d'épuration de demain se doit d'atteindre un bilan énergétique positif. Dans cet objectif, de nombreux travaux de recherche se focalisent au niveau mondial sur la valorisation matière et énergétique à travers un procédé d'intérêt : la digestion anaérobie des boues. Afin d'optimiser ce procédé, la connaissance de la matière organique entrante est cruciale pour ne plus la subir mais la contrôler et en prédire les impacts sur les performances des digesteurs, notamment grâce à la modélisation. Une méthodologie de caractérisation de la matière organique des boues a donc été mise en place et testée afin de prédire les variables du modèle de digestion anaérobie basées sur la biodégradabilité et la bioaccessibilité. Cette méthode repose sur la mesure de la fluorescence en 3 dimensions réalisée sur les extractions chimiques de la boue, extractions simulant son accessibilité. Les résultats obtenus sur 52 échantillons de boues (primaires, secondaires, digérées, et traitées thermiquement) ont mis en évidence avec succès la corrélation entre cette méthode et la biodégradabilité anaérobie ainsi que la bioaccessibilité des boues. Le temps analytique classique de 30 jours pour les tests de potentiel méthane est par ailleurs réduit à 5 jours. Grâce à ces résultats, les variables d'entrée du modèle des processus biologiques ont pu être caractérisées ainsi que les composés réfractaires à la digestion. Une validation de la méthodologie a également été réalisée par le biais de la modélisation de 2 réacteurs pilotes expérimentaux. Une analyse de scenarios utilisant le modèle calibré a aussi montré que grâce à la prédiction de la bioaccessibilité et de la biodégradabilité, un temps de séjour minimum des digesteurs peut être calculé via une corrélation linéaire et ainsi optimiser le dimensionnement des digesteurs. De plus, cette approche s'est avérée être d'un grand potentiel en termes d'applications pour l'instrumentation et l'aide à la décision afin d'optimiser les performances des procédés de digestion anaérobie.

  • Titre traduit

    Organic matter characterization with 3D fluorescence spectroscopy for anaerobic digestion modeling of wastewater treatment sludge


  • Résumé

    In an energetic crisis context, alternative sources of energy and saving costs has become of first importance. From this observation, the wastewater treatment plants of the future aim at a positive energetic balance and worldwide research on sludge treatment today focuses on energetic and material valorization through the optimization of anaerobic digestion processes. To this end, knowledge of the input organic matter is crucial to avoid suffering from these disturbances and to control, predict or drive the process through modeling. In the present study, a methodology of sludge characterization is investigated to describe biodegradability and bioaccessibility variables used in anaerobic digestion models. This method is based on the three dimensional fluorescence spectroscopy measurement performed on the chemical extraction of sludge simulating accessibility. Results obtained in 52 sludge samples (primary, secondary digested and thermally treated) show that the method can be successfully correlated with the sludge biodegradability and bioaccessibility within 5 days instead of the 30 days usually needed for the biochemical methane potential tests. Based on these results, input variables of dynamic models of biological processes occurring in anaerobic digestion have been characterized as well as recalcitrant fluorescent compounds. Validation has been performed with modeling of experimental data obtained from two different laboratory scale reactors. Scenarios analysis with the calibrated model have shown that using the measurements of sludge bioaccessibility and biodegradability, a minimal hydraulic retention time could be calculated with a linear correlation leading to the improvement of digesters design. Moreover, this approach has a high potential for applications such as instrumentation or decision support systems to improve both control and optimization of anaerobic digestion processes.


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