Methods to enhance anaerobic digestion of food waste

par Javkhlan Ariunbaatar

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Stéphanie Rossano.

Soutenue le 17-12-2014

à Paris Est en cotutelle avec l'Università degli studi (Cassino, Italie) , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015) , en partenariat avec Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) (laboratoire) et de Laboratoire Géomatériaux et Environnement (laboratoire) .

Le président du jury était Francesco Pirozzi.

Le jury était composé de Stéphanie Rossano, Eric Van Hullebusch, Giovanni Esposito, Piet N. L. Lens, Antonio Panico.

Les rapporteurs étaient Vincenzo Belgiorno, Robin Gerlach.

  • Titre traduit

    Méthode pour améliorer les rendements de production de biogaz à partir de déchets organiques alimentaires


  • Résumé

    Le traitement des déchets alimentaires (FW) par digestion anaérobie peut conduire à une production d'énergie couplée à une réduction des émissions de volume et de gaz à effet de serre à partir de ce type de déchets. Néanmoins, l'obtention de la récupération du méthane la plus élevée possible dans un temps plus court avec un fonctionnement stable est difficile. Pour surmonter les obstacles de la MA de divers procédés de pré-traitement FW, la supplémentation en oligo-éléments, bioaugmentation utilisant la bouse des animaux de zoo et la comparaison des configurations de réacteurs, y compris une étape ou en deux réacteurs à cuve agités en continu (CSTR) et un réacteur à membrane anaérobie (AnMBR ) ont été étudiées dans le cadre de la présente recherche. Sur la base des résultats des expériences de traitement par lots, de pré-traitement thermique à 80 ° C pendant 1,5 heure cédés> 50% augmentation de la production de biométhane, et il a été trouvé à être plus économe en énergie que l'ozonation ou prétraitements de choc thermophiles. Parmi les différentes concentrations testées et les oligo-éléments, Fe (II) et Se (VI) des concentrations de 25 à 50 ug / L ont donné lieu à 39 et 35% d'augmentation de la production de biométhane, respectivement. Une meilleure solubilisation des protéines (6,96 ± 2,76% de plus) et de glucides récalcitrants (344,85 ± 54,31 mg / L par rapport à zéro) pourrait être obtenue avec bioaugmentation de girafe fumier (30% en volume), qui a donné un 11,24 ± 4,51% de plus production de biométhane. Un CSTR à deux étages avec digestat re-circulation de meilleurs résultats que d'un stade en raison de sa (i) une meilleure capacité d'auto-ajustement du pH; (ii) une plus grande résistance aux chocs de charge organique; (iii) de près de 100% de matières solides volatiles a été destryoed par rapport à 71% en CSTR une étape; (iv) 50 à 60% de teneur en méthane a été obtenu, alors qu'il était de 40 à 50% en une seule étape CSTR; (c) une petite quantité d'hydrogène a également été détectée à partir de la première étape du réacteur à deux étages qui en fait un système attrayant pour la production de biohythane. Bien que la séparation physique des méthanogènes rendus plus sensibles à des facteurs inhibiteurs, tels que l'ammonium et l'acide propionique. En outre, le temps de rétention hydraulique (HRT) est encore une chute de ces systèmes, d'où une AnMBR équipé d'une membrane de fluorure de vinylidène courant latéral a été proposé et exploité avec succès pour 100 d. Merci de membranes HRT a pu être réduite de 20 d à 1d, tout en conservant un rendement global d'élimination de> 97% de la demande en oxygène influent chimique (COD) et a abouti à une production de biogaz supérieure à 70% de teneur en méthane


  • Résumé

    Treatment of food waste by anaerobic digestion can lead to an energy production coupled to a reduction of the volume and greenhouse gas emissions from this waste type. Nevertheless, obtaining the highest possible methane recovery in a shorter time with a stable operation is challenging. To overcome the hurdles of AD of FW various pretreatment methods, supplementation of trace elements, bioaugmentation using zoo animals' dung and comparison of reactor configurations including one-stage and two-stage continuously stirred tank reactors (CSTR) as well as anaerobic membrane reactor (AnMBR) were studied in the scope of this research. Based on the results of the batch experiments, thermal pretreatment at 80°C for 1.5 hours yielded 46 – 52% higher biomethane production, and it is more energy efficient than ozonation or thermophilic shock pretreatments. Among the various tested concentrations and trace elements Fe (II) and Se (VI) concentrations of 25-50 ug/L resulted in 39 and 35% increase of biomethane production, respectively. A better solubilization of proteins (6.96 ± 2.76% more) and recalcitrant carbohydrates (344.85 ± 54.31 mg/L as compared to zero) could be obtained with bioaugmentation of giraffe dung (30% by volume), which yielded a 11.24 ± 4.51% higher biomethane production. A two-stage CSTR with digestate re-circulation performed better than one-stage with (i) a better pH self-adjusting capacity; (ii) a higher resistance to organic loading shocks; (iii) almost 100% volatile solids was destroyed as compared to 71% in one-stage CSTR; (iv) 50-60% methane content was obtained, while it was 40-50% in one-stage CSTR; (v) a small amount of hydrogen was also detected from the first stage of the two-stage reactor making it an attractive biohythane production system. Although physically separating the methanogens made them more sensitive to inhibitory factors, such as ammonium and propionic acid. Moreover, the long hydraulic retention time (HRT) is still the problem with these systems, hence an AnMBR equipped with a side-stream polyvinylidene fluoride membrane was proposed and a successful operation was achieved. Thanks to the membranes the HRT was able to be reduced from 20 d to 1d, while maintaining an overall removal efficiency of >97% of the influent chemical oxygen demand (COD) and yielded a higher biogas production with 70% methane content


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