Prétraitement des déchets agricoles pour l'optimisation de leur valorisation par méthanisation

Agricultural waste pretreatment for their optimization in anaerobic digestion

• Auteur / Autrice : Helen Laura Coarita Fernandez
• Direction : Rémy Bayard, Pierre Buffière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie environnement
• Date : Soutenance le 30/04/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : DEEP - Déchets Eaux Environnement Pollutions, EA 7429 (Lyon, INSA) - Déchets Eaux Environnement Pollutions / DEEP
• Jury : Président / Présidente : Rémy Gourdon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémy Bayard, Pierre Buffière, Rémy Gourdon, Hélène Carrère, Pierre Fontanille, Thierry Ribeiro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hélène Carrère, Pierre Fontanille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déchets agricoles -- Recyclage

Méthanisation

Mots clés libres

Chimie

Méthanisation agricole

Déchets agricoles

Fumier

Caractérisation du matériau

Prétraitement mécanique

Biomasse

Matière organique

Chemistry

Anaerobic digestion

Agricultural waste

Cattle manure

Characterization of material

Mechanical pretreatment

Biomass

Organic matter

Résumé

La croissance rapide de la filière de méthanisation agricole en France depuis une vingtaine d’années s’accompagne de nombreuses questions associées à la rentabilité des installations. Malgré les connaissances acquises par retour d’expérience sur les sites de méthanisation agricoles et les développements pour l’optimisation des procédés, les défis sont encore nombreux, et plus particulièrement pour les éleveurs français : les effluents d’élevage constituent en effet 64% des tonnages entrant en méthanisation, principalement sous la forme de fumiers pailleux complétés par d’autres biomasses agricoles tels que des résidus de culture, produits de cultures intermédiaires à vocation énergétique et autres déchets de l’industrie agro-alimentaire. Or, la grande majorité des installations françaises aujourd’hui sont des technologies de type cuve agitée en voie humide développées principalement en Europe du Nord et conçus pour traiter des résidus d’élevage principalement sous forme liquide. En France, la grande majorité des ressources mobilisables est de caractère hétérogène avec une teneur élevée en matières ligno-cellulosiques, nécessitant le recours à des opérations de préparation de la ration au moyen de systèmes mécaniques. Si les techniques de prétraitements mécaniques disponibles sur le marché sont nombreuses, les retours d’expérience sont encore rares et nécessitent de développer une approche scientifique permettant de relier l’aptitude à la méthanisation d’une biomasse à la modification de ses caractéristiques au cours d’un prétraitement. Pour répondre à cet enjeu, la thèse s’est structurée dans l’objectif d’identifier les principales fonctions des opérations mécaniques de préparation de biomasses agricoles solides. Premièrement, une méthodologie d’approche générale de caractérisation bio-physico-chimique a été développée afin d’évaluer les principaux effets des prétraitements mécaniques avant méthanisation. Dans un deuxième temps, une étude des opérations mécaniques successives à l’échelle laboratoire a été réalisée sur différentes biomasses agricoles telles que les fumiers bovins et l’ensilage de maïs et triticale. La fonctionnalité de chaque opération de prétraitement a été identifiée et une corrélation entre paramètres physiques et paramètres biochimiques a été proposée. Dans un troisième temps, plusieurs techniques de prétraitement mécaniques in situ ont été testées et comparées aux opérations à l’échelle laboratoire pour identifier leurs fonctions de transformation de la biomasse et évaluer leur coût énergétique. Ainsi, plusieurs effets ont été mis en évidence : l’amélioration de la vitesse de bioconversion de la matière et l’amélioration des propriétés rhéologiques. La compréhension en détail du mécanisme d’action des prétraitements mécaniques sur des substrats complexes et hétérogènes est le prochain enjeu.

Over the last 20 years, the rapid growth of agricultural management by anaerobic digestion in France comes with many questions related to biogas installations profitability. Despite of acquired knowledge through feedback on agricultural biogas sites and developments for process optimization, there are diverse challenges to deal, especially for French livestock farmers. Livestock effluents are 64% of the tons entering into anaerobic digestion, mainly on straw manure form supplemented by other agricultural products such as crop residues, energy culture and other waste from the food industry. However, nowadays majority of French facilities operate wet agitated tank technologies which were developed in Northern Europe and designed to treat livestock residues mainly in liquid form. In France, most of available resources for anaerobic digestion are heterogeneous with a high content of lignocellulosic material. So, they require the use of ration preparation operations using mechanical systems. Although there are many available mechanical pretreatment techniques on the market, the feedback is still limited. Therefore, a scientific approach development in order to link the anaerobic digestion suitability of biomass to the modification of its characteristics during the pretreatment is required. Facing up this challenge, this thesis was structured with the objective of identifying the main functions of mechanical operations for solid agricultural biomass preparation. First, a general approach methodology of bio-physical-chemical characterization has been developed to assess the main effects of mechanical pretreatments before anaerobic digestion. Second, a study of successive mechanical operations at laboratory scale was carried out on different agricultural biomasses such as cattle manure and corn and triticale silage. The functionality of each pre-treatment operation was identified and a correlation between physical and biochemical parameters was proposed. Third, several full-scale mechanical pre-treatment techniques were tested and compared to laboratory scale operations in order to identify their biomass transformation functions and evaluate their energy cost. Thus, several effects have been highlighted: organic matter kinetics and rheological properties improvement. Next challenge to deal is understanding the mechanism of action of mechanical pretreatments on complex and heterogeneous substrates in detail.