Optimization of the process parameters controlling dry anaerobic digestionof spent animal bedding in leach-bed reactors
Méthanisation par voie sèche discontinue des fumiers : optimisation des paramètres opérationnels du procédé
Résumé
Anaerobic Digestion (AD) is a process which allows the treatment of organic waste and the production of renewable energy. In particular, dry AD allows the treatment of solid organic substrates, offering several possibilities to the enhancement of agricultural waste such as spent livestock bedding (a mixture of straw, faeces and urine). Among the available biotechnologies in AD, leach-bed reactor (LBRs) is a promising but yet poorly known process both at scientific and industrial level.In order to develop this process, several issues have been studied: (i) the bio-physico-chemical characterization of spent animal bedding and its digestion potential in LBRs; (ii) the optimization of the start-up and the operating temperature of the digesters; (iii) the co-digestion of spent animal bedding with an easily-degradable substrate and the issues connected to the management of the volatile fatty acids (VFAs) produced.The results showed that spent animal bedding is a slowly-degradable substrate which needs a long digestion time. However, it is a substrate suitable to be treated through AD displaying high degradation and methane production rates when processed in LBRs. This substrate is, therefore, a valuable organic resource in the agricultural context.Spent animal bedding was shown to contain an active methanogenic population able to start the process efficiently, both in thermophilic and mesophilic temperature, without requiring a specific external inoculation. An economic study at industrial scale proved that this peculiarity can be used to diminish the investment costs and then promote the development of this process. Moreover, thermophilic temperature was proved to be less advantageous over mesophilic condition. In fact, despite the very close methane yield reached in both temperature range, the different biogas production rates in thermophilic conditions would lead to a reduction of the final electric energy production in this condition. Mesophilic temperature was then shown to be the best operating condition for this process.Finally, the role played by the leachate recirculation in the mobilization of the VFAs accumulating in the solid bulk was highlighted in the case of a reactor co-digesting slowly- (spent livestock bedding) and easily-degradable substrates. A strategy was even proposed to efficiently face such a problem by optimizing both the VFA extraction and consumption with the objectives of increasing the overall process efficiency.In the end, this work allowed to optimize some important parameters for the correct management of the LBRs. This technology was proved to be efficient in the treatment of spent livestock bedding, both as a sole substrate or in co-digestion with an easily-degradable substrate. This research study demonstrates that LBRs is an adapted process for the agricultural context and this technology can easily answer to the full scale issues usually encountered. This work represents a significant advance towards the comprehension and development of LBRs to treat agricultural waste and, more generally, to the development of renewable energies based on biomass
La Digestion Anaérobie (DA), ou méthanisation, est un procédé qui permet le traitement de déchets organiques et la production d’énergie renouvelable sous forme de biogaz. La DA par voie sèche permet en particulier la valorisation de substrats solides, offrant plusieurs possibilités aux traitements de résidus d’origine agricole tels les fumiers, des substrats constitués d’un mélange de paille, fèces et urine accumulés dans les litières des étables. Parmi les technologies disponibles en méthanisation, les « leach-bed reactors » (LBRs), constituent une option valide mais toutefois peu connue et peu développée soit au niveau scientifique qu’industriel.Dans le but d’optimiser ce procédé, plusieurs problématiques ont été affrontées : (i) la caractérisation bio-physico-chimique du fumier et du potentiel énergétique exprimé dans un LBR; (ii) l’optimisation de l’inoculation des réacteurs et de la température de digestion ; (iii) la co-digestion du fumier avec un substrat facilement biodégradable et la problématique reliées à la gestion des acides gras volatiles (AGVs) ainsi produits.Les résultats montrent que le fumier est un substrat lentement biodégradable qui nécessite un long temps de digestion. Cependant, il s’agit d’un déchet agricole adapté à la valorisation par méthanisation et dont les rendements de dégradation et de production de méthane en LBRs sont intéressants industriellement. Ce substrat est par conséquent une ressource organique précieuse dans le contexte agricole.Il a été montré que le fumier bovin contient une population méthanogène active capable de démarrer un procédé de digestion anaérobie efficacement sans l’ajout d’un inoculum externe spécifique, autant en mode mésophile que thermophile. Une analyse économique a démontré que cette propriété peut être exploitée afin de diminuer les coûts d’investissement initiaux d’un projet à l’échelle industrielle, en favorisant de cette manière le développement de la filière. De plus, les résultats montrent que pour la digestion du fumier en LBRs le mode thermophile ne comporte aucun intérêt par rapport à la production finale de méthane (qui est similaire pour les deux régimes) et que, au contraire, la valorisation par cogénération du méthane produit en thermophile diminue le rendement de production électrique surtout à cause d’une production de méthane très importante en début de digestion. Le régime mésophile parait donc être le mode de fonctionnement le plus adapté dans ce contexte.Enfin, le rôle joué par la percolation du lixiviat sur la mobilisation des AGV accumulés dans la fraction solide a été mis en lumière dans un réacteur de co-digestion traitant une fraction de lentement biodégradable (le fumier) et une fraction facilement biodégradable. Une stratégie a été développée afin d’étudier le problème de l’extraction et de la consommation des AGV dans le but d’améliorer le rendement global du procédé.Pour conclure, ce travail a permis d’optimiser certains paramètres fondamentaux dans la gestion d’un LBR. Cette technologie s’est révélée efficace dans le traitement du fumier, autant en mono-digestion qu’en co-digestion avec un substrat facilement biodégradable. Ces recherches montrent que l’utilisation des LBR est appropriée au contexte agricole et que la modification des paramètres de contrôle permet à ce procédé de répondre efficacement aux problématiques du terrain. Ce travail représente une avancée significative vers la compréhension et le développement des LBRs pour le traitement des résidus agricole et, plus globalement, des énergies renouvelables mobilisant des biomasses agricoles
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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