Développement de stratégies innovantes pour la valorisation de digestats de méthanisation via la culture de Spiruline

Development of innovative strategies for the valorization of anaerobic digestate by Spirulina cultivation

• Auteur / Autrice : Marie-Ange Leca
• Direction : Yves Le Guer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 11/06/2024
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur appliquées à la mécanique et au génie électrique (Anglet)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Le Guer, Pascale Gillon, Céline Laroche, Thierry Ribeiro, Olivier Bernard, Jean-Baptiste Beigbeder
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascale Gillon, Céline Laroche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microalgues

Géothermie

Méthanisation

Mots clés libres

Microalgues

Digestat

Bioremédiation

Co2

Zéolithe

Eau de géothermie

Microalgae

Digestate

Bioremediation

Co2

Zeolite

Geothermal water

Résumé

La méthanisation est un processus biologique anaérobique capable de convertir une grande variété de résidus organiques tels que des biodéchets, déchets agricoles et divers effluents en énergie (biogaz) et en un produit résiduel (digestat) riche en nutriments. La gestion d'un volume croissant de digestat et les préoccupations environnementales associées à leur épandage motivent la recherche de nouvelles voies de valorisation. Dans ce contexte, cette thèse s'intéresse à la culture de cyanobactérie comme stratégie innovante pour le traitement de digestats liquides et de CO2 biogénique de méthanisation tout en produisant une nouvelle biomasse d'intérêt. Du fait de sa composition assez complexe, le digestat doit souvent être dilué avec de l'eau pour réduire sa toxicité envers les microalgues et cyanobactéries. Dans la première étude, de l'eau de géothermie a été étudiée comme substitut à l'eau douce afin de réduire l'empreinte environnementale du procédé de culture. Pour cela, quatre digestats d'unités industrielles ont été échantillonnés et testés pour la culture de A. platensis en utilisant plusieurs facteurs de dilution et deux types d'eau (déminéralisée vs géothermie). Les essais laboratoires ont montré que l'utilisation de l'eau de géothermie n'a pas induit de changements significatifs dans les profils de croissance d'A. platensis par rapport à de l'eau déminéralisée. Alors les résultats ont été validés en photobioréacteurs de 6 L en intégrant une régulation du pH par injection de CO2. Des productivités comprises entre 81 et 136 mg/L/j ont été atteintes. Dans la deuxième étude, un prétraitement du digestat par échanges ioniques a été exploré afin de réduire sa toxicité et d'abaisser la quantité d'eau nécessaire à la préparation des milieux. Ainsi, de la zéolithe, roche volcanique poreuse connue pour sa forte affinité avec l'ammonium, a été testé du laboratoire (0.45 L) à l'échelle pilote (15.5 L) à l'aide de colonnes d'adsorption garnies. Après 24h de traitement avec 0.5 kg/L de zéolithe, la concentration en ammonium du digestat a été réduite de 2250 à 120 mgN/L, représentant une efficacité de traitement de 95% et une capacité d'adsorption de l'ordre de 4,1 mg/g de zéolithe aux deux échelles. Des essais de culture d'A. platensis ont permis de montrer qu'il était possible d'abaisser le taux de dilution de 20x avec le digestat brut à 1x (aucune dilution) pour le digestat traité. La montée en échelle a démontré que la culture en photobioréacteur de 6 L à l'aide du digestat traité (non dilué) était possible mais devait cependant être optimisée afin de maximiser la productivité en biomasse (33 mg/L/j) et l'utilisation de nutriment tels que l'ammonium (retrait 53 %).Les résultats obtenus dans cette thèse ont été utilisés pour mettre en place des essais de prétraitement de digestat et de culture d'A. platensis dans une serre expérimentale en conditions non-contrôlées. Six traitements à la zéolithe (250 g/L) ont été réalisés à l'échelle pilote pour traiter 53 L de digestat, montrant une répétabilité efficace entre les traitements avec un retrait moyen d'ammonium de 81 ± 4 %. Ensuite deux typologies de réacteurs ouverts (raceway) et fermés (colonne à bulles) de 100 L ont été comparées pendant plus de 150 jours d'expérimentation en serre située dans le Sud-Ouest de la France. Les cultures à base de digestat y ont été comparées à un milieu de culture synthétique et deux stratégies de culture ont été étudiées en utilisant un inoculum frais ou acclimaté au cours d'une série de batchs. L'utilisation d'inoculum frais d'A. platensis a permis d'obtenir des productivités de biomasse plus élevées et stables qu'avec l'inoculum acclimaté. De plus, les réacteurs ouverts ont conduit à une perte importante d'eau due à l'évaporation tout au long de l'expérience, représentant 27± 9 %Vtot. Des productivités de 10±3 mg/L/d ont été obtenues dans les deux réacteurs avec du digestat prétraité à la zéolithe et dilué (5x) avec de l'eau de géothermie.

Anaerobic digestion (AD) is a biological process capable of converting a wide variety of organic residues such as biowastes, agricultural residues and energetic crops into renewable energy (biogas) and a fertilizing product (digestate) rich in macro/micro nutrients. In recent years, the number of anaerobic digestion plants in France has risen considerably from around 300 units in 2013 to 1494 in 2023. The management of a growing volume of digestate and the environmental concerns associated with its land application are motivating the search for new valorization pathways. In this context, this thesis focuses on cyanobacteria culture as an innovative strategy for treating both liquid digestate and biogenic CO2 coming from AD, while producing a new biomass of interest at the same time. Due to its complex composition, digestate often needs to be diluted with water to reduce its toxicity for microalgae and cyanobacteria growth. In the first study, geothermal water was investigated as a substitute for fresh water to reduce the environmental footprint of the cultivation process. Four digestates from industrial plants were sampled and tested for A. platensis cultivation using several dilution factors and two types of water (demineralized vs. geothermal). Laboratory tests showed that the use of geothermal water did not significantly affect A. platensis growth profiles compared with demineralized water. The results were then validated in 6 L photobioreactors, incorporating pH regulation by CO2 injection. Productivities ranging from 81 to 136 mg/L/d were achieved during these assays.The second study explored the digestate pretreatment by ion exchange process to reduce its toxicity and decrease the required water for preparing culture media. Zeolite, a porous crystalline aluminosilicate material with high affinity for ammonium, was tested at laboratory (0.45 L) and at pilot (15.5 L) scales using packed adsorption columns. After 24 hours of treatment with 0.5 kg/L of zeolite, the initial ammonium concentration of 2250 mgN/L in the digestate was reduced below 120 mgN/L corresponding to a treatment efficiency of 95% and an average adsorption capacity of 4.1 mg/gzeolite at both scales. A. platensis cultures demonstrated the possibility of considerably reducing the dilution rate from 20x with the untreated digestate to 1x (no dilution) for the treated digestate. The scale-up experiment demonstrated that cultivation in 6 L photobioreactors using the treated and undiluted digestate was feasible. However, further optimization is necessary to maximize biomass productivity (33 mg/L/d) and nutrient assimilation, such as ammonium uptake where only 53% of removal was observed.All the results obtained in this thesis were used to set up digestate pre-treatment and A. platensis cultivation trials under outdoor weather conditions. A total of six treatments with zeolite (250 g/L) were carried out on a pilot scale to treat 53 L of digestate, showing efficient repeatability between treatments with an average ammonium removal of 81 ± 4%. As part of this study, two types of 100 L open (raceway) and closed (bubble column) reactors were studied and compared over 150 days of cultivation in an experimental greenhouse based in the South-West of France. Following this, digestate-based cultures were compared with conventional synthetic culture medium and two cultures strategies were investigated using fresh or acclimated inoculum in batch to batch systems. The systemic use of fresh A. platensis inoculum during repeated batches resulted in higher and more repeatable biomass productivities than with acclimated inoculum. In addition, open reactors led to an important loss of water due to evaporation throughout the experiment, accounting for 27± 9%Vtot. Finally, biomass productivity of 10 ± 3 mg/L/d were obtained in both reactors using zeolite pretreated digestate diluted 5 times with geothermal water.