Evaluation expérimentale et modélisation des principaux mécanismes et cinétiques bio-physico-chimiques de la digestion anaérobie à haute teneur en solides de déchets organiques

Experimental and modeling assessment of the main bio-physical-chemical mechanisms and kinetics in high-solids anaerobic digestion of organic waste

• Auteur / Autrice : Vicente Pastor Poquet
• Direction : Giovanni Esposito, Jean-Jacques Aaron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 05/12/2018
• Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement (Narbonne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) - Laboratoire Géomatériaux et Environnement / LGE
• Jury : Président / Présidente : Piet N. L. Lens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giovanni Esposito, Stefano Papirio, Aino-Maija Lakaniemi, Eric Van Hullebusch
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Katerina Stamatelatou, Baris Calli, Paolo Calabrò

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biogaz

Déchets organiques

Méthanisation

Mots clés libres

Digestion anaérobie

Haute teneur en solides

Déchets organiques

Modélisation

Anaerobic digestion

High-Solids

Organic waste

Modeling

Résumé

La fraction fermentescible des ordures ménagères (FFOM) comprend des déchets facilement biodégradables (alimentaires), et des lentement biodégradables (lignocellulosiques). La digestion anaérobie (DA) est une biotechnologie dans laquelle la FFOM est décomposé dans biogaz (CH4 + CO2). En raison de la teneur élevée en CH4 (50-70%), le biogaz pouvant être utilisé comme source d'énergie. En outre, DA produit un digestat partiellement stabilisé, riche d'éléments nutritifs. La DA à haute teneur en solides est une stratégie pour l'amélioration de l'efficacité. Elle correspond à une opération avec une teneur en matières sèches (MS) ≥ 10%, qui permet de réduire la taille du réacteur et les coûts de fonctionnement. Toutefois, l'augmentation de la MS peut entraîner une instabilité biochimique, et même une défaillance par acidification, à cause de la forte charge organique et l'accumulation d'inhibiteurs. L'inhibiteur le plus notable est NH3. Par conséquent, un équilibre entre l'amélioration de l'économie et l'instabilité est requis pour le traitement de la FFOM par DA à haute teneur en solides. Cette thèse de doctorat porte sur les principaux mécanismes cinétiques bio-physiques-chimiques mis en jeu lors de la DA à haute teneur en solides, dans le but d’optimiser son application. Des expériences de laboratoire ont mis en œuvre pour élucider les principales forces et faiblesses de ce procédé. Simultanément, le développement d'un modèle spécifique à la DA à haute teneur en solides a permis de condenser les connaissances expérimentales sur les effets qui se produisent lors de l'augmentation de la teneur de la MS. Les expériences en réacteur batch ont nécessité un compromis entre la teneur initiale en MS, le rapport entre l'inoculum et le substrat (X/S), l'alcalinité et la teneur en azote, afin d'évaluer les effets de l'augmentation de la teneur initiale en MS sur le rendement en CH4, l’élimination de la MS et la conversion de la demande chimique en oxygène. En particulier, des ratios X/S bas ont conduit à l'acidification, tandis que l'accumulation de NH3 a conduit à une accumulation d’acides gras volatils (AGV). Dans des expériences en semi-continue, la DA à haute teneur en solides nécessitait de diminuer le débit de l’effluent pour contrer l'élimination de la masse. Cependant, la mono-digestion de la FFOM facilement biodégradable ne peut pas supporter MS ≥ 10% sans augmenter le risque de surcharge. La surcharge était associée à la forte biodégradabilité et à l'accumulation de NH3. Par conséquent, l'ajout de sciure de bois à FFOM a permis à des réacteurs semi-continus de fonctionner jusqu'à 30% de MS, en raison de la biodégradabilité et de la teneur d'azote plus faibles ce substrat. La principale nouveauté de cette thèse est le développement d'un modèle pour la DA à haute teneur en solides. Ce modèle permet de simuler la dynamique masse et de MS dans des digesteurs, contrairement aux modèles sur des simulations de MS < 10%. Ce modèle prend également en compte l’effet de la concentration en MS sur les espèces solubles. Un module bio-physico-chimique « non idéal », modifiant les constantes d’équilibre acide-base, a été couplé ensuite au modèle. Il est à noter que la DA à haute teneur en solides est souvent caractérisée par une force ionique élevée (I ≥ 0,2 M), affectant le pH, la concentration en NH3 et le transfert de CO2 liquide-gaz. L'étalonnage du modèle a montré que la DA à haute teneur en solides requis plusieurs jeux de données expérimentaux pour contourner la « non-identifiabilité » des paramètres. La DA à haute teneur en solides pouvait fonctionner à une I allant jusqu'à 0,9 M et NH3 allant jusqu'à 2,3 g N/L, à des teneurs en MS élevées (25-30%). En outre, l'étalonnage a suggéré que l'utilisation d'une inhibition non-compétitive de NH3 devrait être testée plus avant. Il a également été recommandé de mettre au point d'autres développements du modèle. Ces résultats pourraient aider à l'optimisation de la DA à haute teneur en solides.

The organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) includes readily biodegradable wastes such as food waste, and slowly biodegradable wastes such as lignocellulosic materials. Anaerobic digestion (AD) is a mature treatment biotechnology in which OFMSW is decomposed to a mixture of methane (CH4) and carbon dioxide (CO2), known as biogas. Due to the elevated CH4 content (50-70%), biogas can be used as a source of renewable energy. Moreover, AD yields a partially stabilized digestate, allowing the recycle of nutrients to agriculture. High-solids anaerobic digestion (HS-AD) is a well-suited strategy to enhance the overall AD efficiency for OFMSW treatment. HS-AD is operated at a total solid (TS) content ≥ 10%, permitting to reduce the reactor size and overall operational costs. Nonetheless, the TS increase can result into biochemical instability, and even reactor failure by acidification. Both the high organic load and the buildup of inhibitors can be responsible for the HS-AD instability. The most notable inhibitor in HS-AD of OFMSW is NH3. Therefore, a balance is often required between enhancing the HS-AD economy and the ‘undesired’ instability for OFMSW treatment. This PhD research investigated the main bio-physical-chemical mechanisms and kinetics in HS-AD of OFMSW, with the aim to optimize the industrial application and maximize the kinetic rates. Laboratory-scale batch and semi-continuous experiments highlighted the main strengths and weaknesses of HS-AD. Simultaneously, the development of a HS-AD model permitted to condense the experimental knowledge about the bio-physical-chemical effects occurring when increasing the TS content in HS-AD.HS-AD batch experiments required a tradeoff between the initial TS, the inoculum-to-substrate ratio (ISR), the alkalinity and the nitrogen content, to assess the effects of increasing the initial TS content upon the methane yield, TS removal and chemical oxygen demand conversion. Particularly, a low ISR led to acidification, whereas the NH3 buildup led to volatile fatty acid (VFA) accumulation, reducing the methane yield, whether or not co-digestion of OFMSW with beech sawdust was used.In semi-continuous experiments, HS-AD of OFMSW required a reduced effluent compared to the influent to counterbalance the organic mass removal associated to the biogas production. Nonetheless, mono-digestion of readily-biodegradable OFMSW could not sustain a TS ≥ 10% without exacerbating the risk of substrate overload. Overloading was associated to the high biodegradability and the NH3 buildup. Thus, adding sawdust to OFMSW permitted to operate the reactors up to 30% TS, due to the lower biodegradability and nitrogen content of lignocellulosic substrates. As the main novelty of this PhD research, a HS-AD model based on the Anaerobic Digestion Model No.1 (ADM1) was developed. This model simulates the reactor mass and TS in HS-AD, in contrast of models focusing on ‘wet’ AD simulations (TS < 10%). Moreover, the HS-AD model considers also the TS concentration effect on soluble species. A ‘non-ideal’ bio-physical-chemical module, modifying predominantly the acid-base equilibriums, was subsequently coupled to the HS-AD model. Noteworthy, HS-AD is often characterized by a high ionic strength (I ≥ 0.2 M), affecting the pH, NH3 concentration and CO2 liquid-gas transfer, as the most important triggers for HS-AD inhibition. The HS-AD model calibration required multiple experimental datasets to circumvent parameter non-identifiability. The model calibration showed that HS-AD of OFMSW might be operated at I up to 0.9 M and NH3 up to 2.3 g N/L, particularly at higher TS (25-30%). Moreover, the model calibration suggested that the non-competitive NH3 inhibition should be further tested. Further HS-AD model developments (e.g. precipitation) were also recommended. All these results might aid in the optimization of HS-AD for organic waste treatment, renewable energy and nutrient recovery