Optimisation de la gestion des digestats ˸ post-traitements et recirculation pour une amélioration de l'efficacité énergétique des sites de méthanisation

Optimization of digestate management˸ post-treatments and recirculation to improve the energy efficiency of biogas plants

• Auteur / Autrice : Ulysse Brémond
• Direction : Hélène Carrère, Jean-Philippe Steyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 26/11/2019
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement (Narbonne)
• Jury : Président / Présidente : Christelle Wisniewski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Carrère, Jean-Philippe Steyer, Christelle Wisniewski, Rémy Bayard, Patrick Dabert, Florian Monlau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Rémy Bayard, Patrick Dabert

Mots clés

Mots clés libres

Méthanisation agricole

Efficacité energétique

Digestat solide

Post-Traitements

Recirculation

Prétraitements biologiques

Agricultural anaerobic digestion

Energy efficiency

Solid digestate

Post-Treatments

Recirculation

Biological pretreatments

Résumé

L'amélioration des performances des sites de méthanisation agricole est un véritable enjeu visant à augmenter leur rentabilité et ainsi permettre à l'ensemble de la filière un développement pérenne. La gestion des digestats apparaît comme une piste d'amélioration encore relativement inexplorée. Cette thèse étudie la recirculation du digestat solide (éventuellement post-traité) au sein des méthaniseurs agricoles voie liquide. Dans un premier temps, les stratégies de mise en œuvre et l'impact potentiel de la recirculation directe du digestat solide sur six sites de méthanisation ont été étudiés. Les résultats ont montré qu'en fonction de la stratégie choisie, la production de biogaz du site de méthanisation pouvait être augmentée ou bien des pénuries éventuelles en intrants pouvaient être compensées. Dans un second temps, l'intérêt d'un post-traitement du digestat solide afin d'améliorer ces résultats initiaux a été évalué en détail. Les post-traitements thermo-alcalins et aérobies testés (aération simple, consortia ou champignons ligninolytiques) s'avèrent ne pas être rentables ou efficaces. Au vu de ces résultats, une recirculation rapide et directe du digestat solide sans aucun post-traitement semble être la meilleure option pour une mise en œuvre à grande échelle. Dans un troisième temps, Il a été démontré que cette pratique augmente le temps de rétention des solides, la teneur en matière sèche et le coût de l'agitation des sites de méthanisation. Il faut ainsi déterminer au cas par cas, en fonction du site de méthanisation, l'intérêt de cette pratique. À cet effet, une aide à la décision à destination des exploitants a été établie. Sur cette base, un essai à grande échelle a été effectué et confirme que la recirculation du digestat solide n'a pas d'impact négatif sur le procédé de méthanisation. Pour conclure, cette thèse démontre que la recirculation directe du digestat solide peut être un moyen simple et peu coûteux d'accroître l'efficacité des sites de méthanisation voie liquide.

Improving the performance of agricultural biogas plants is a key challenge in order to increase their profitability and thus ensure a long-term sustainable development to the entire biogas sector. Digestate management appears to be a way of improvement that has been until now relatively unexplored. This PhD thesis studies the recirculation of the solid digestate (possibly post-treated) within agricultural CSTR biogas plant. As a first step, implementation strategies and the potential impact of direct recirculation of the solid digestate for six biogas plants were studied. The results showed that, depending on the strategy chosen, plant biogas production could be increased or potential feedstocks shortages could be offset. In a second step, the interest of adding solid digestate post-treatments to improve these initial results was evaluated in detail. The thermo-alkaline and aerobic (simple aeration, consortia or ligninolytic fungi) post-treatments tested are not cost-effective nor efficient. Regarding these results, a quick and direct recirculation of the solid digestate without any post-treatment seems to be the best option for full-scale implementation. In a third step, it has been shown that this practice increases the solid retention time, the total solids content and the mixing costs of CSTR biogas plants. The interest in this practice must therefore be determined on a case-by-case basis, depending on the biogas plants. To this end, a decision support for biogas plant operators has been established. Based on that, a full-scale trial was carried out and confirms that the recirculation of the solid digestate does not have any negative impact on the AD process. In conclusion, this PhD thesis demonstrates that direct solid digestate recirculation can be a simple and low-cost way to increase agricultural CSTR biogas plant efficiency.