Caractérisation rapide des boues d'épuration en spectrométrie de fluorescence : vers une mesure en ligne du potentiel méthanogène

Rapid fluorescence spectrometry characterisation of sewage sludge: towards online measurement of methanogenic potential

• Auteur / Autrice : Maxime Dechesne
• Direction : Gilles Varrault
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2018
• Etablissement(s) : Paris 12
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEESU - Laboratoire Eau Environnement et Systèmes Urbain
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe SIE

Mots clés

Mots clés libres

Potentiel méthanogène

Boues d'épuration

Méthodes spectroscopiques

Methanogenic potential

Sewage sludge

Spectroscopiques methods

Résumé

Dans le cadre de la loi sur la transition énergétique pour la croissance verte (Loi n° 2015-992 du 17 août 2015), l'objectif majeur est de réduire la consommation énergétique de 50 % d'ici à 2050. Une des approches pour atteindre cette ambition repose sur l'utilisation des énergies renouvelables et de récupération. Dans le domaine du traitement des eaux usées, la valorisation énergétique des boues par digestion anaérobie offre une perspective intéressante. À l'échelle de l'agglomération parisienne, cette méthode permet de produire annuellement plus de 80 millions de mètres cubes de biogaz, provenant de plus de 70 % des boues générées. Cependant, une évaluation précise du potentiel méthanogène des boues demeure cruciale pour la gestion efficace de ces procédés et la conception d'installations industrielles adaptées. Le protocole classique, bien que précis, s'avère long et coûteux, ce qui le rend inapproprié pour une surveillance en temps réel des procédés de méthanisation. Pour remédier à cette limitation, des méthodes alternatives rapides, telles que la spectroscopie proche infrarouge (SPIR), ont été développées. Malheureusement, la SPIR nécessite généralement une préparation préalable des échantillons, notamment leur déshydratation, ce qui la rend difficile à appliquer en ligne pour l'acquisition de données en temps réel. Ces travaux visent à développer une méthode spectroscopique nécessitant moins de temps de préparation des échantillons, voire une analyse en ligne plus rapide. Cette thèse explore la possibilité d'analyser les boues de station d'épuration en utilisant la spectroscopie de fluorescence tridimensionnelle (SF3D) pour prédire le potentiel méthanogène et d'autres paramètres physico-chimiques, dans le but d'optimiser la digestion anaérobie en STEU en temps réel. Le premier volet de la thèse explore la possibilité de déterminer le potentiel méthanogène des boues séchées grâce à une extraction séquentielle de la matière organique à l'eau ultrapure. Des résultats prometteurs ont été obtenus en utilisant les intensités de fluorescence mesurées dans les extraits en SF3D comme variables explicatives du potentiel méthanogène des boues. Le second volet de cette thèse porte sur les boues épaissies après centrifugation. Les boues épaissies sont déshydratées et analysées en SPIR, tandis que le centrat est analysé en SF3D. L'hypothèse principale est qu'un équilibre chimique se forme entre la matière organique dissoute dans le centrat et la matière organique dans les boues épaissies avant la centrifugation. Les modèles prédictifs du BMP obtenus grâce à la PLS en utilisant les intensités de fluorescence mesurées en SF3D dans les centrats sont de très bonne qualité. Cette méthode est très prometteuse pour une future mise en ligne. L'objectif du troisième volet de la thèse est de pouvoir suivre en temps réel l'état des digesteurs et éventuellement d'anticiper de futurs dysfonctionnements (ratio acide gras volatils/titre alcalimétrique complet (AGV/TAC), le ratio acide acétique/acide propionique). Pour ce faire, deux pilotes de digestion en voie liquide ont été suivis à l'aide de la SF3D et d'analyses physico-chimiques. Les résultats ont montré qu'en utilisant cette méthode, il n'a pas été possible de prédire ou de suivre les différents critères. Cependant, nous avons pu observer qu'une augmentation trop importante de la concentration en AGV ou du ratio AGV/TAC entraînait des modifications des signaux de fluorescence mesurés quelques jours après ces dysfonctionnements.

In the context of the law on energy transition for green growth (Law No. 2015-992 of August 17, 2015), the major objective is to reduce energy consumption by 50% by 2050. One of the approaches to achieve this goal relies on the use of renewable and recovery energies. In the field of wastewater treatment, the energy valorization of sludge through anaerobic digestion offers an interesting perspective. At the scale of the Paris metropolitan area, this method annually produces more than 80 million cubic meters of biogas, coming from over 70% of the generated sludge. However, a precise evaluation of the methanogenic potential of sludge remains crucial for the efficient management of these processes and the design of suitable industrial facilities. The conventional protocol, while accurate, proves to be lengthy and costly, making it unsuitable for real-time monitoring of the anaerobic digestion processes. To address this limitation, alternative rapid methods, such as near-infrared spectroscopy (NIRS), have been developed. Unfortunately, NIRS generally requires sample preparation, including dehydration, which makes it challenging to apply online for real-time data acquisition. These works aim to develop a spectroscopic method that requires less sample preparation time or even a faster online analysis. This thesis explores the possibility of analyzing wastewater treatment plant sludge using three-dimensional fluorescence spectroscopy (3DFS) to predict the methanogenic potential and other physicochemical parameters, with the goal of optimizing anaerobic digestion in real-time. The first part of the thesis explores the possibility of determining the methanogenic potential of dried sludge through a sequential extraction of organic matter with ultrapure water. Promising results have been obtained using fluorescence intensities measured in 3DFS extracts as explanatory variables for the methanogenic potential of sludge. The second part of this thesis focuses on the thickened sludge after centrifugation. The thickened sludge is dewatered and analyzed by NIRS, while the supernatant is analyzed directly by 3DFS. The main hypothesis is that a chemical equilibrium is formed between the organic matter dissolved in the supernatant and the organic matter in the thickened sludge before centrifugation. The predictive models of BMP obtained by PLS from the fluorescence intensities measured by 3DFS in the supernatant are of very high quality. This method is very promising for future on-line applications. The aim of the third part of the thesis is to be able to monitor the state of the digesters in real time and possibly anticipate future malfunctions (volatile fatty acid/complete alkalinity titration (VFA/TAC), acetic acid/propionic acid ratio). To do this, two liquid digestion pilots were monitored using SF3D and physicochemical analyses. The results showed that, using this method, it was not possible to predict or monitor the various criteria. However, we were able to observe that too great an increase in the VFA concentration or the VFA/TAC ratio led to changes in the fluorescence signals measured a few days after these malfunctions.