Étude de verrous scientifiques et technologiques pour la compréhension et l’optimisation du procédé de méthanisation voie sèche discontinu de sous-produits d’origine agricole

Study of scientific and technological locks dor the understanding and the optimization of dry batch methanization process from agricultural waste

• Auteur / Autrice : Laura André
• Direction : André Pauss, Thierry Ribeiro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 16/06/2016
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tomographie

Optimisation mathématique

Acidification

Oxygène

Procédés chimiques

Procédés discontinus

Fumier

Produits agricoles

Biogaz

Méthane

Méthanosarcinacées

Méthanogènes

Méthanisation

Mots clés libres

Digestion anaérobie en voie sèche type batch

Transferts hydriques

Populations méthanogènes

Tomographie électrique

DCO

Demande chimique en oxygène

Phase d'acidification

Methanosarcinaceae

Dry anaerobic digestion process

Water transfers

Methanogens populations

Electrical tomography

Acidification phase

COD

Methanation

Résumé

La digestion anaérobie en voie sèche représente une opportunité de développement de la méthanisation sur le territoire français au vu des gisements agricoles disponibles sur le territoire. Toutefois, l’importance des verrous scientifiques et technologiques de par leur nombre et leur complexité rend cette technologie non mature et peu développée sur le territoire français. Dans ces travaux de thèse, il a été étudié dans un premier axe la mise au point de la détermination de la demande chimique en oxygène (DCO) pour des substrats solides avec un kit commercial rendant celle-ci utilisable sans dilution des déchets et utilisant une faible quantité de réactifs. Cette méthode est un outil de suivi des installations. Un deuxième axe d’étude qui s’est attaché à l’étude de la phase d’acidification, verrou majeur de la méthanisation phase sèche, a démontré l’impact de la conservation et de l’origine des inocula sur leur capacité à gérer une phase d’acidification en présence de déchets facilement hydrolysables. L’inoculum est un paramètre majeur de la méthanisation voie sèche et est pourtant peu étudié. Un troisième axe de cette thèse concerne l’étude des transferts hydriques sur des substrats d’origine agricole par une méthodologie de traçage et de modélisation via le modèle à deux régions d’eau mobile et immobile. L’évolution des transferts hydriques a été étudiée au cours de la digestion anaérobie de fumier bovin en digesteur 60 L montrant une diminution de la perméabilité du massif après le deuxième pic de production de méthane. Par conséquent, tout l’inoculum recirculé passe par les côtés et non au sein du massif solide. Deux fréquences de recirculation ont été testées permettant d’obtenir une amélioration de la production de méthane d’environ 20 %. La caractérisation des transferts hydriques obtenus pour ces deux modalités sont identiques après 32 jours de dégradation anaérobie. Le gain de méthane obtenu se fait donc jusqu’au deuxième pic de production de biogaz par la recirculation. Les bilans hydriques et massiques effectués sur ces digesteurs 60 L démontrent que 36 % de la matière organique sont retrouvés dans le digestat montrant un procédé non optimisé. Le quatrième axe d’étude a été de comprendre et d’étudier la dynamique des populations méthanogènes au sein de digesteurs de méthanisation voie sèche de 60 L selon deux configurations. Des expérimentations modulant l’immersion du massif solide ont conduit à obtenir une amélioration de 13 % de production de méthane pour la condition favorisant l’immersion. Cette augmentation de production de méthane est induite par une plus forte quantité de Methanosarcinaceae. La dynamique des populations méthanogènes a été étudiée dans la phase solide et liquide au cours de la digestion anaérobie montrant un transfert microbien de la phase liquide à solide pour un ordre des bactéries hydrogénotrophes, une hiérarchie de ces « hydrogénotrophes » dans le milieu et un fort développement des « acétotrophes » dans le milieu solide servant de support. Dans un cinquième axe, la mise en oeuvre de la tomographie électrique sur un digesteur de 30 m3 a permis de valider son utilisation pour localiser la phase liquide, les zones de potentiels méthane et les zones dégradées dans un container en fonction des protocoles de remplissage et de vidange du digesteur. Cette méthode est disponible pour localiser les zones mortes et donc pour optimiser le procédé de méthanisation en voie sèche type batch. A travers ces expérimentations menées à différentes échelles et avec différentes problématiques, des méthodologies ont été adaptées pour la compréhension des mécanismes et le suivi du procédé de méthanisation par voie sèche.

The dry anaerobic digestion (AD) process is an opportunity to develop the methanization in France. Agricultural waste is abundant in France. However, many scientific and technical locks are complex and must be solved to develop the dry anaerobic digestion process in France. In this work, the chemical oxygen demand (COD) method was adapted for solid waste no implying waste dilution or a high quantity of reagent. This COD method was available to monitor and manage the dry AD process. The study of acidification phase, a major lock of the dry AD process, showed that the storage condition and the origin of inoculum influence the capacity to manage this phase. The inoculum is a major parameter of the dry AD process. But, the inoculum is few studied.On another part of experiments concerned the water transfers studied on agricultural waste with a tracing method. The modeling of the elution curves to determine the diffusion and the convective transfers was made with a model with two Mobile-Immobile regions. The evolution of water transfers was studied during the AD cycle showing a decrease about the permeability of solid phase after the second peak of methane production. Thus, the inoculum passes on the board of solid phase. Two recirculations were tested allowing to obtain an improvement the methane production about 20 % after the AD cycle. The water transfers of these two recirculations modalities were identical after the AD cycle. The improvement of methane production occurred after the second peak of the methane production. Water and mass balances made showing that 36 % of organic matter was find in the digestat. Consequently, the process was not optimized. Others experiments modulating the immerged part of solid phase showed an improvement of the methane production about 13 % with the increasing of immerged part. This methane improvement was induced by the development of Methanosarcinaceae. The methanogens dynamics were studied in the liquid and solid phases during the AD process showing (i) a population transfer between the liquid phase to the solid phase, (ii) a hierarchy of hydrogenotrophs methanogens in the media, and (iii) a strong development of acetotrophs methanogens in the solid phase. In the final part, the electrical tomography was implemented in a dry AD batch at full scale (30 m3). This method was adapted to localize the liquid phase, the zones of methane potential and the degraded zones according to filling and the emptying protocols. This method can detect the “dead” zones of process in dry AD process.Though, experiments carried out at different scales and with different problematic and several methodologies were adapted to understand the dry AD process. Moreover, the optimization of dry AD process was finding to increase the methane production.