Bio-méthanation essais et modélisation mathématique pour évaluer le rôle de l'humidité sur la digestion anaérobie des déchets organiques

Bio-methanation tests and mathematical modelling to assess the role of moisture content on anaerobic digestion of organic waste

• Auteur / Autrice : Flavia Liotta
• Direction : Eric Van Hullebusch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 12/12/2013
• Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec Università degli studi (Cassino, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• 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 : Eric Van Hullebusch, Giovanni Esposito, Massimiliano Fabbricino
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Renaud Escudié, Francesca Malpei

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux lourds

Méthane

Bioréacteurs

Matière organique

Méthanisation

Mots clés libres

Digestion anaérobie

Modélisation

Matière organique

Métaux lourds

Toxicité

Anaerobic digestion

Modelling

Organic substrate

Hydrodynamic

Total solid

Résumé

La méthanisation par voie sèche possède différents avantages par rapport à la méthanisation par voie humide. Les réacteurs sont plus petits, les besoins en eau sont moindres, la production de digestat et le prétraitement nécessaire sont également moins importants. Cependant, plusieurs études ont démontré que l'eau favorise l'hydrolyse du substrat et permet le transport des sous-produits d'hydrolyse et des nutriments vers les bactéries. Pour mieux comprendre le rôle de l'eau lors de la méthanisation, des tests de digestion sèche et semi-sèche à partir de substrats organiques complexes (déchets alimentaires, paille de riz, déchets de carotte), avec différentes teneurs en matière sèche de substrat traité ont été réalisées. Les résultats confirment que l'eau joue un rôle essentiel sur le taux de production spécifique de méthane, le rendement final de méthane généré et la dégradation de la matière volatile sèche (MVS). Le rendement final de méthane produit dans des conditions semi-sèches et sèches est respectivement de 51% et de 59% inférieur avec la paille de riz et 4% et 41% de moins pour les déchets alimentaires en comparaison avec des conditions humides. Des tests d'inhibition basés sur l'analyse des acides gras volatils (AGV) ont été menées pour étudier les processus d'inhibition spécifiques qui ont lieu avec les substrats sélectionnés à différentes teneurs en matière sèche. Pour le cas de la méthanisation par voie humide des déchets de carotte, aucune accumulation d'AGV a été trouvé, et toutes les concentrations d'AGV étaient inférieurs aux seuils d'inhibition. Une corrélation directe entre la teneur en matière sèche et la concentration totale d'AGV (AGVtot) a été mise en évidence pour la paille de riz et les déchets alimentaires. Pour la paille de riz, une concentration d'AGVtot maximale de 2,1 g / kg a été trouvé pour la voie sèche, 1 g / kg dans les conditions semi-sèche et 0,2 g / kg dans les conditions humides, alors que pour les déchets alimentaires la concentration d'AGVtot était de 10 g / kg à l'état sec, 9 g / kg dans les conditions semi-sèche et 3 g / kg dans les conditions humides. Un modèle mathématique de la méthanisation de substrats organiques complexes dans des conditions sèches et semi-sèche a été proposé pour simuler l'effet de la teneur en matière sèche sur le processus. Les données obtenues à partir d'expériences en mode batch, en termes de production de méthane et de concentration d'AGV, ont été utilisées pour calibrer le modèle proposé. Les paramètres cinétiques de production et d'élimination d'AGV ont été calibrés à l'aide des données expérimentales, et il a été montré qu'ils sont fortement dépendants de la teneur en matière sèche et différent des valeurs de la littérature concernant la méthanisation par voie humide. Cela est dû à l'accumulation d'AGV dans les conditions sèches, ce qui implique d'utiliser des valeurs plus élevées concernant les constantes d'inhibition introduites dans le modèle. Enfin, comme la méthanisation par voie sèche a généralement lieu dans des réacteurs à écoulement piston, une étude historique et critique de la littérature concernant la compréhension du rôle de l'hydrodynamique dans des bioréacteurs à écoulement piston a été réalisée

Dry Anaerobic Digestion (AD) presents different advantages if compared to wet AD, i.e. smaller reactor size, lesser water addition, digestate production and pretreatment needed, although several studies have demonstrated that water promotes substrate hydrolysis and enables the transfer of process intermediates and nutrients to bacterial sites. To better understand the role of water on AD, dry and semidry digestion tests of selected complex organic substrates (food waste, rice straw, carrot waste), with various TS contents of the treated biomass have been carried out in the present study. The results confirm that water plays an essential role on the specific methane production rate, final methane yield and Volatile Solids (VS) degradation. The final methane yield in semi-dry and dry conditions was 51% and 59% lower for rice straw and 4% and 41% lower for food waste, respectively, if compared with wet conditions. Inhibition tests, based on Volatile Fatty Acid (VFA) analysis, were carried out to investigate the specific inhibition processes that take place with the selected substrates at different TS contents. In wet AD of carrot waste no VFA accumulation was found, and all VFA concentrations were lower than the inhibition limits. A direct correlation between TS content and total VFA (TVFA) concentration was noticed for rice straw and food waste AD. For rice straw a maximum TVFA concentration of 2.1 g/kg was found in dry condition, 1 g/kg in semidry conditions and 0.2 g/kg in wet conditions, whereas for food waste the TVFA concentration was 10 g/kg in dry condition, 9 g/kg in semidry conditions and 3 g/kg in wet conditions. A Mathematical model of complex organic substrate AD in dry and semidry conditions has been proposed to simulate the effect of TS content on the process. The data obtained from batch experiments, in terms of methane production and VFA concentrations, were used to calibrate the proposed model. The kinetic parameters of VFA production and degradation, calibrated using the experimental data, resulted highly dependent on the TS content and different from wet AD literature values. This is due to VFA accumulation in dry conditions, which implies higher values of the inhibition factors introduced in the model. Finally, as dry AD takes usually place in Plug Flow (PF) reactors, an historical and critical review on the role of hydrodynamics in PF bioreactors has been carried out