Amélioration de la production de méthane à l'échelle d'une exploitation agricole à partir de la paille de riz par co-digestion avec des eaux usées d'élevage porcin et des boues anaérobies de station d'épuration d'effluents de papeterie

Enhancing the methane production from untreated rice straw using an anaerobic co-digestion approach with piggery wastewater and pulp and paper mill sludge to optimize energy conversion in farm-scale biogas plants

• Auteur / Autrice : Wendy Mussoline
• 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-....)
• 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, Andrea Giordano
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Renaud Escudié, Francesca Malpei

Mots clés

Mots clés contrôlés

Boues d'épuration

Biogaz

Agriculture et énergie

Déchets agricoles

Méthanisation

Mots clés libres

Methanisation

Paille de riz

Biogaz

Pilote industriel

Production d'énergie

Anaerobic digestion

Rice straw

Biogas

Mesophilic Farm-scale

Energy production

Résumé

Ce travail de thèse présente l'optimisation d'une technologie de valorisation énergétique qui utilise des résidus agricoles pour la production d'énergies renouvelables, tout en réduisant les émissions mondiales de méthane et en garantissant la sécurité alimentaire. Des digesteurs anaérobies à l'échelle laboratoire, pilote et industrielle ont été évalués afin d'améliorer la production de méthane à partir de la digestion anaérobie de la paille de riz non traitée dans des conditions sèches en utilisant une approche nouvelle de co-digestion. Une installation de production biogaz à l'échelle d'une ferme chargée de paille de riz et d'eaux usées produites par une porcherie génère 295 MWh dans un cycle de digestion 422 jours. La période d'acclimatation relativement longue (environ 200 jours) et le faible rendement en biogaz (181 LCH4/kg MVS) pourraient être améliorées en ajoutant des boues anaérobies issues d'un procédé de traitement d'effluents de l'industrie papetière. Au laboratoire, l'ajout de la boue conduit à un rendement de méthane spécifique de 335 LCH4/kgMVS dans les 92 jours. L'hydrolyse de la paille a été accélérée, et des conditions stables ont été observées en termes de pH, d'alcalinité et de nutriments. Des améliorations similaires ont été démontrés dans des digesteurs à l'échelle pilote (1 m3) - un rendement de méthane spécifique de 231 LCH4/kgMVS a été obtenu dans un cycle de digestion à 93 jours avec de la boue comparativement à 189 jours sans la boue. Un mélange insuffisant dans le système à l'échelle pilote a causé des rendements de production de méthane inférieurs à ceux obtenus dans les digesteurs l'échelle du laboratoire. Si les conditions mésophiles et de mélange suffisantes sont maintenues dans le système à l'échelle industrielle, la co-digestion de la paille de riz avec des eaux usées produites par une porcherie et des boues issues d'un procédé de traitement d'effluent de l'industrie papetière (rapport poids humide de 1:1.25:0.5) a le potentiel de réduire le temps de rétention à trois mois (contre 422 jours) et d'augmenter les rendements de production de méthane à plus de 300 LCH4/kgMVS

The research describes an optimized waste-to-energy technology that utilizes agricultural residues for renewable energy, while reducing global methane emissions and maintaining food security. Laboratory-, pilot- and farm-scale anaerobic batch digesters were evaluated to enhance methane production from the anaerobic digestion of untreated rice straw in dry conditions using a novel co-digestion approach. An existing farm-scale biogas plant loaded with rice straw and piggery wastewater produced 295 MWh in a 422-day digestion cycle. The long acclimation period (approximately 200 days) and low biogas yield (181 LCH4/kgVS) could be enhanced by adding anaerobic sludge from the pulp and paper mill treatment process. In a laboratory setting, the addition of the sludge resulted in a specific methane yield of 335 LCH4/kgVS within 92 days. Hydrolysis of the straw was accelerated, and stable conditions were observed in terms of pH, alkalinity and nutrients. Similar improvements were demonstrated in pilot-scale digesters (1 m3) – a specific methane yield of 231 LCH4/kgVS was achieved in a 93-day digestion cycle with the sludge compared to 189 days without the sludge. Insufficient mixing within the pilot-scale system caused lower overall methane yields than those obtained in the laboratory-scale digesters. If sufficient mixing and mesophilic conditions are maintained within the farm-scale system, the co-digestion of rice straw with pig wastewater and paper mill sludge (wet weight ratio of 1:1.25:0.5) has the potential to reduce the retention time to three months (versus 422 days) and increase methane yields to over 300 LCH4/kgVS