La méthanisation par voie sèche agricole appliquée aux fumiers de bovins : optimisation de la recirculation des lixiviats

Solid state anaerobic digestion of cattle manure : optimization of leachate recycle

• Auteur / Autrice : Axelle Degueurce
• Direction : José Martinez, Pascal Peu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 12/05/2016
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (France ; 2012-2019) - Optimisation des procédés en Agriculture, Agroalimentaire et Environnement

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique chimique

Fumier

Bovins

Méthanisation

Mots clés libres

Digestion anaérobie

Recirculation du lixiviat

Cinétique

Sscp

Plan d’expérience

Ert

Anaerobic digestion

Leachate

Résumé

Avec 67 Mt de fumiers de bovins récupérés chaque année, la France possède un gisement considérable de substrats agricoles mobilisables et valorisables par méthanisation. Le procédé de méthanisation par voie sèche, discontinu, avec recirculation de lixiviat semble être le mieux adapté à la valorisation de ce type de substrats à forte teneur en matière sèche (>20%). A l’heure actuelle, ce procédé est cependant rare sur le territoire. Afin de permettre et de pérenniser le développement de cette technologie, des verrous techniques et scientifiques doivent être levés, notamment ceux qui portent sur la recirculation des lixiviats. L’objectif de cette thèse est d’optimiser le procédé de méthanisation par voie sèche appliquée aux effluents agricoles (principalement fumiers de bovins), afin d’atteindre les conditions les plus favorables à la production d’un maximum de biogaz, de façon constante et en un minimum de temps en considérant les contraintes relatives à un tel procédé. Dans un premier temps, l’objectif a été de comprendre le rôle du lixiviat dans ce procédé de digestion anaérobie discontinu, d’un point de vue biologique. Pour se faire quatre lixiviats ayant différentes origines ont été utilisés. Deux d’entre eux étaient biologiquement actifs (lixiviats provenant de méthaniseurs) et les deux autres stérilisés. Du point de vue abiotique, il a été montré que pour favoriser la digestion anaérobie, le lixiviat devait avoir un pH adéquat, présenter une concentration suffisante de nutriments et un fort pouvoir tampon. D’un point de vue biotique, deux communautés distinctes de microorganismes évoluent dans le lixiviat et dans le fumier, sans aucun transfert entre ces deux environnements, limitant ainsi le rôle d’inoculation souvent attribué au lixiviat. Dans un deuxième temps, la réalisation d’un plan d’expérience a permis d’identifier, au laboratoire sur pilotes instrumentés, des paramètres de recirculation du lixiviat qui influencent les vitesses de production de méthane. Ainsi, le temps entre les recirculations, le volume recirculé et le ratio lixiviat/substrat initialement introduit jouent sur la forme des cinétiques de production. En actionnant l’un ou l’autre de ces leviers, il serait potentiellement possible d’adapter la production de méthane, en fonction des besoins des systèmes de valorisation du biogaz en place sur ces installations. Enfin, la méthode de tomographie de résistivité électrique a été utilisée, à grande échelle, pour suivre la percolation du lixiviat à travers le massif et mettre en évidence les disparités de distribution du lixiviat dans le massif. Cette étude a montré que la géométrie du réseau de recirculation du lixiviat, consistant en un tuyau perforé parcourant la surface du massif dans le sens de la longueur, ne permettait pas un écoulement homogène du lixiviat dans les digesteurs. Certaines zones n’ayant jamais été humidifiées, la production de méthane se trouve réduite et les rendements amoindris. Cette thèse s’articule autour de plusieurs analyses multi-échelles et complémentaires permettant de mieux comprendre le rôle du lixiviat, d’améliorer sa mise en œuvre et son utilisation pour la digestion anaérobie des fumiers de bovins.

With 67 Mt of cattle manure recovered every year, France has a significant source of agricultural waste to be valorised through anaerobic digestion. Batch mode solid state anaerobic digestion (SSAD) process with leachate recirculation seems to be the most suitable technique to valorise that kind of waste, which contains high total solid content (>20%). Currently, this process is rare on French territory. To develop batch mode SSAD, various technical and scientific barriers must be straightened out, and particularly those concerning leachate recirculation. The objective of this work is to optimize SSAD of agricultural was (mostly cattle manure) by pointing out the most favorable settings that allow producing high volumes of biogas, steadily and within a short time, taking into account the particular technical constraints of this process. First of all, the objective was to better understand the biological role of leachate in the batch mode SSAD process. For that purpose, four leachates with different origins were used. Two of them were biologically active (from existing digesters) while the two others were sterilized. It was demonstrated an effective anaerobic digestion was favored by using a leachate gathering the following abiotic characteristics: an adequate pH, a strong buffer capacity and the presence of the right concentration of nutrients. From the biotic point of view, dedicated communities of microbes were in progress in each liquid and solid environment with nested relationship. The role of leachate as inoculum was then limited. In a second part, the influent parameters of leachate recirculation were identified at laboratory scale, by setting up a design of experiment. It was found that the elapsed time between two recirculations, the recirculated volume of leachate and the initial leachate to substrate ratio introduced in the reactor could modify the shape of methane production rate. By changing one or several of those parameters, it would be possible to control and adapt methane production rate to the specific constraints of one SSAD plant. In the last part, the Electrical Resistivity Tomography (ERT) method was used, at full scale, to monitor the leachate percolation through the solid waste and highlight leachate distribution disparities. It was shown the leachate injection system consisting of a perforated pipe laying on the solid top surface was not efficient to evenly moisten the solid waste. From that observation, it was concluded that cumulated methane production could be improved if areas that were not in contact with leachate could be moistened by using another leachate injection system. This manuscript was based on several multi-scale and complementary analyses that allow a better understanding of the role of leachate during SSAD process and an improvement of its utilization for the anaerobic digestion of cattle manure.