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La digestion anaérobie
La digestion anaérobie (DA) est un processus biologique naturel reposant sur la capacité de certaines souches de bactéries à entretenir des réactions biochimiques de conversion de la matière organique solide en un produit gazeux. Ce produit, connu sous le nom de biogaz, est principalement composé de CO2, de CH4, de vapeur d’eau et d’impuretés organiques ou inorganiques. Le processus est scindé en quatre étapes majeures reposant chacune sur un ensemble bactérien distinct tel que présenté à la Figure 2.1. Chacune des étapes (hydrolyse, acidogenèse, acétogenèse et méthanogenèse) sont le résultat de nombreuses réactions chimiques menant à la transformation des composés organiques dont les principaux sont identifiés à la Figure 2.1. L’hydrolyse est généralement considérée comme l’étape limitative en raison de son taux de réaction inférieur (Appels et al., 2008). La littérature est abondante sur les techniques de mise en oeuvre des procédés de digestion anaérobie. René Moletta a publié une revue de littérature sur la DA (Moletta et Cansell, 2003) ainsi qu’un livre qui est composé d’un ensemble de chapitres rédigés par des experts du domaine et qui fait la synthèse des connaissances de manière exhaustive (Moletta, 2011). Cet ouvrage rassemble les notions couvrant le fonctionnement, la législation applicable ainsi que les diverses approches s’appliquant à la digestion anaérobie. Il en ressort que la digestion anaérobie est un processus extrêmement vaste et versatile au niveau des applications mais qu’il requiert une connaissance fine des diverses interactions impliquées, des paramètres opérations et des limitations s’y rattachant.
Paramètres opérationnels
Les principaux paramètres influant sur le fonctionnement de la DA et par conséquent, son rendement, sont les suivants : le pH, l’alcalinité, la température et le temps de séjour hydraulique (TSH) (Appels et al., 2008). La siccité est également abondamment discutée puisqu’elle est directement liée au volume des digesteurs via le TSH (Camacho et Prévot, 2011). Les paramètres ici retenus sont la température, la siccité et le TSH en raison de leur incidence accrue sur le bilan énergétique. La température d’opération est sans aucun doute l’un des paramètres les plus fondamentaux pour la digestion anaérobie puisqu’il déterminera le type de bactérie qui sera favorisé pour la digestion. Trois principales zones de température sont reconnues pour la production de biogaz : psychrophile (10 à 25ºC), mésophile (25 à 45ºC, surtout près de 37ºC) et thermophile (45 à 65ºC) (Moletta et Cansell, 2003) tel que présenté à la Figure 2.2. Ainsi, le taux de croissance des organismes méthanogènes (Growth rate methanogens) augmente avec la température. La digestion anaérobie dans la zone de température psychrophile requiert un TSH plus élevé et est mieux adaptée au climat où la température de l’affluent se maintient au-dessus de 15ºC à l’année (Lettinga, Rebac et Zeeman, 2001). La zone de température mésophile est la plus répandue en industrie (Bernet et Buffière, 2011).
Elle est généralement perçue comme un juste milieu entre les pertes thermiques et le rendement méthanogène. La zone de température thermophile est celle qui démontre la plus grande rapidité et le meilleur potentiel de production de biogaz (Camacho et Prévot, 2011). Bien que la demande thermique soit pratiquement doublée par rapport à la DA en conditions mésophiles, la récupération de l’énergie du flux sortant pour chauffer le flux entrant a permis d’atteindre un niveau de performance thermique comparable pour la DA en zone thermophile (Zupančič et Roš, 2003). La même étude conclut à la possibilité d’une réduction de 70% (50% selon Camacho et Prévot, 2011) de volume du digesteur en optant pour un procédé thermophile en raison du temps de rétention réduit. Toutefois, l’accroissement de la température favorise la réduction d’azote ammoniacal ionisée (NH4 +) au profit de la forme non ionisée (NH3), laquelle est une substance inhibitrice pour certaines étapes de la DA (Bernet et Buffière, 2011). Finalement, la DA thermophile peut mener à la production d’un digestat désinfecté (Camacho et Prévot, 2011), lequel est plus susceptible de répondre aux exigences des normes élevées pour la valorisation agricole telles que la classe A de biosolides de l’USEPA ou CAN/BNQ 0413-400. Ces dernières établissent des niveaux de qualité permettant l’utilisation agricole des biosolides avec un minimum de contraintes. Un autre paramètre d’opération important pour la conception est le temps de séjour hydraulique (TSH), lequel est généralement évalué en jours. La charge volumique appliquée (CVA) s’exprime en quantité de matière volatile par unité de volume de digesteur par jour (kg ∙ m ∙ j). Ces deux paramètres sont directement liés par le volume du digesteur utilisé tel qu’indiqué par les équations suivantes (2.1 et 2.2) adaptées (Bernet et Buffière, 2011; Camacho et Prévot, 2011).
Évaluation du rendement
Le rendement de la digestion anaérobie est mesurable par la quantité de méthane contenue dans le biogaz produit en fonction de la quantité de matière présente (Athanasoulia, Melidis et Aivasidis, 2012; Ferrer et al., 2008). Le rendement est mis en comparaison avec le potentiel méthanogène théorique ou expérimental qui représente la valeur de CH4 produit par unité de matière volatile (MV) selon la substance (Bernet et Buffière, 2011). Cependant, il est crucial de faire la distinction entre la matière volatile ajoutée (MVA) et celle dégradée (MVD) puisque certaines études font référence à l’une ou l’autre. Le premier comprend le potentiel de biodégradation de la matière alors que le second n’est exprimé qu’en rapport avec la portion dégradée. Le lien qui unit ces deux paramètres est le taux de dégradation (TD) de la MV, lequel est exprimé en %. Un échantillon facile à dégrader biologiquement, présentera, à terme, un TD de la MV élevé et vice-versa. Ce même taux est lié au TSH dans le digesteur. Le potentiel méthanogène mesuré par diverses méthodologies standardisées (i.e. BMP pour Biochemical methane potential), est propre à chaque substance et les valeurs pour diverses substances communes se situent entre 0,14 et 1,01 Nm ∙ kg (Bernet et Buffière, 2011).
Optimisation du rendement
Dans le but d’améliorer le rendement de la digestion anaérobie, diverses approches de prétraitement ont été développées. L’objectif de ces prétraitements consiste à diminuer la taille des molécules présentes dans la boue et ainsi rendre la matière plus facile à assimiler par les bactéries. Cela réduit le temps requis pour l’hydrolyse et lorsque cette étape est limitative, le temps de séjour dans le digesteur diminue substantiellement. Une augmentation de la production de biogaz est également observable. La littérature est abondante sur ce sujet et les principales techniques sont distinguées de la façon suivante : mécaniques (ultrasons, lyse par centrifuge, haute pression, etc.), thermiques (basse et haute température) et chimiques (ozone, alcalinité, etc.). Les prétraitements jouent sur deux fronts en améliorant la digestibilité et le potentiel de déshydratation pour certains (Neyens et Baeyens, 2003).
Il est généralement admis que les prétraitements ont une plus grande influence sur les boues biologiques (ou activées) que sur les boues primaires puisque ces dernières sont déjà plus faciles à digérer par les bactéries bien que certains résultats tendent à démontrer un résultat similaire pour les deux types de boues (Wilson et Novak, 2009). L’amélioration du rendement s’explique par la solubilisation (ou mise en solution) de la matière composant les boues (Bougrier, Delgenès et Carrère, 2008). Dans cette dernière étude, la méthode employée pour mesurer le pourcentage de solubilisation (SDCO) consiste à évaluer la demande chimique en oxygène soluble () et totale () avant et après la solubilisation. La relation est exprimée selon l’équation 2.4 et toutes les valeurs de DCO sont exprimées en kg ∙ m. Cela représente un indicateur de l’amélioration du potentiel méthanogène pour un traitement donné.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 PROBLÉMATIQUE ET OBJECTIFS DE RECHERCHE
CHAPITRE 2 REVUE DE LITTÉRATURE
2.1 La digestion anaérobie
2.1.1 Paramètres opérationnels
2.1.2 Évaluation du rendement
2.1.3 Modèles théoriques
2.1.4 Intrants et extrants
2.1.5 Optimisation du rendement
2.2 La gazéification
2.2.1 Paramètres opérationnels
2.2.2 Évaluation du rendement
2.2.3 Modèles théoriques
2.2.4 Intrants et extrants
2.2.5 Optimisation du rendement
2.3 Le couplage digestion anaérobie et gazéification
2.3.1 Bilans énergétiques et massiques
2.3.2 Gaz à effet de serre et impact environnemental
2.3.3 Récupération des ressources
CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE
3.1 Évaluation du bilan de la digestion anaérobie
3.2 Évaluation du bilan de la gazéification
CHAPITRE 4 ANALYSE EXPÉRIMENTALE ET RÉSULTATS
4.1 Démarche expérimentale
4.1.1 Première phase de tests : tests préliminaires
4.1.2 Deuxième phase de tests : méthode initiale
4.1.3 Troisième phase de tests : méthode alternative
4.2 Production des bilans
4.2.1 Bilan de la digestion anaérobie
4.2.2 Bilan de la gazéification
4.2.3 Bilan du couplage
CHAPITRE 5 DISCUSSION
5.1 Digestion anaérobie
5.2 Gazéification
5.3 Couplage
5.4 Potentiel de récupération des éléments fertilisants
5.5 Considération futures
CONCLUSION
ANNEXE I DONNÉES EXPÉRIMENTALES
ANNEXE II CALCULS ET BILANS
ANNEXE III ARTICLE SDEWES 2013 (SOUMIS À WM&R)
ANNEXE IV ANALYSE LABORATOIRE AGAT
BIBLIOGRAPHIE
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