Dimensionnement des procédés de digestion anaérobie

1. Choix du procédé de digestion anaérobie

1.1. Caractérisation du substrat

La première étape dans le choix de la digestion anaérobie passe par la définition des caractéristiques de l'effluent à traiter qui va conditionner le choix de la technique. Dans notre cas il s'agit de boues de stations d'épuration. Nous avons donc affaire à un substrat relativement liquide, avec une charge organique importante et produit en continu puisqu'issu directement de la production de boues de la station. 

1.2. Choix du procédé

D'après les caractéristiques précédentes, nous pouvons donc effectuer le choix de la technique. Tout d'abord, nous allons effectuer une méthanisation en voie liquide, compte tenu de la faible siccité des boues à introduire dans le méthaniseur. En effet, la voie liquide est privilégiée lorsque l'on a un substrat avec une siccité inférieure à 10%. Ensuite nous choisissons un procédé en continu en liaison avec la production de boues. 

Enfin, le choix de la biomasse s'est porté sur une biomasse libre car le substrat est riche en matières en suspension. L'utilisation de biomasse fixée aurait été plus problématique. 

Le choix du procédé s'est donc naturellement orienté vers un réacteur infiniment mélangé appelé CSTR (Continuously Stirred Tank Reactor), avec une agitation par recirculation de biogaz. 

Réacteurs CSTR par recirculation de biogaz
​Source : Appels L., Baeyens J., Degrève J., Dewil R., Principles and potential od the anaerobic digestion of waste-activated sludge, 2008

Deux types de méthanisation sont possibles dans les réacteurs CSTR correspondant à deux températures différentes. Il existe la méthanisation de type thermophile à environ 55°C en moyenne qui est considérée comme plus efficace mais également moins stable en liaison avec la possible production de manière importante d'acides gras volatils pouvant inhiber la méthanisation. Cette technique est relativement peu utilisée industriellement. La seconde technique est celle de la méthanisation mésophile avec une température d'environ 35°C qui est la plus utilisée et la plus stable. Nous avons donc opté pour la digestion de type mésophile, permettant de plus une économie d'énergie pour chauffer le digesteur. 

 

1.3. Conditions opératoires

Lors de la mise en service du digesteur, il est nécessaire de contrôler différents paramètres qui conditionnent la méthanisation. Ces paramètres sont le pH, l'alcalinité, les Acides Gras Volatils, la DCO, les nutriments et le débit de biogaz. 

  • Le pH

Le pH est le paramètre principal qui conditionne la méthanisation. Dans la littérature il est en général conseillé de garder un pH autour de la neutralité (entre 6,5 et 8,5). En effet, le pH peut inhiber les bactéries méthanogènes essentielles à la production du biogaz. Ainsi le suivi du pH, qui est fortement lié à la production d'acides gras volatils (AGV), va permettre de réguler le digesteur et éventuellement d'ajuster le pH. 

  • L'alcalinité

​​L'alcalinité est le second paramètre important, très lié au pH puisqu'il constitue la représentation du pouvoir tampon du digesteur, donc sa capacité à maintenir un pH stable. Il est dépendant en majeure partie de la concentration en bicarbonates. Des mesures par titrage à l'acide chlorhydrique souvent automatisées sont généralement utilisées pour définir l'alcalinité. 

  • Les Acides Gras Volatils

​​Les acides gras volatils sont les intermédiaires de la digestion anaérobie qui influencent le plus le processus. Ils sont produits au cours de l'acidogénèse. L'accumulation d'AGV entraine une baisse de pH qui inhibe les bactéries méthanogènes censées les transformer en méthane, la digestion est donc déséquilibrée. La mesure en continu de ces AGV par mesure chromatographie, titrimétrique ou spectrométrique permet de prévenir les dysfonctionnements de ce type. 

  • L'hydrogène

​​L'hydrogène fait partie des paramètres de stabilité les plus importants pour la digestion anaérobie. La mesure de la pression partielle de l'hydrogène peut se faire dans la phase liquide ou dans le biogaz. Il doit être maintenu à faible concentration pour assurer le bon fonctionnement du digesteur. 

  • La DCO

​​Cette mesure est représentative de la matière organique présente dans le digesteur. Lorsque l'on mesure la DCO à l'intérieur et en sortie du digesteur, on peut suivre son taux d'abattement. 

  • Les nutriments

​​Le suivi des nutriments est essentiel pour maintenir une biomasse constante et permettre une croissance des micro-organismes tout au long de la digestion. La composition moyenne en macro-éléments est estimée à partir de mesures et l'on peut avoir un ajustement si besoin. 

  • Débit de biogaz

​​Le suivi du débit de biogaz ainsi que sa composition en méthane notamment, permet d'avoir une idée sur l'état de fonctionnement du réacteur. La mesure peut être faite par CPG ou encore par absorption infra-rouge. 

 

2. Dimensionnement de la filière

2.1. Pré-traitement des boues : épaississement

  • Production de boues

​​La production de boues nous est donnée d'après le redimensionnement de la STEP (DIGAN Laura, SEREMET Juliette) : 3,9 tonnes de MES par jour. En considérant que la fraction dissoute est négligeable on a alors une production de 3,9 tMS/j soit un total de 1457 tMS/an

 

Schéma récapitulatif des traitements des substrats

 

  • Épaississement

​​La première étape préalable au traitement des boues par digestion anaérobie est l'épaississement. En effet, les boues sortent de la station d'épuration avec une siccité très faible, autour de 1%. Or le processus de méthanisation est efficace sur des substrats ayant une siccité autour de 7%. Nous avons donc fait une comparaison des différentes techniques disponibles pour l'épaississement. Elles ont été comparées principalement sur la base de leur consommation électrique de fonctionnement. Le graphique suivant présente les résultats obtenus. 


Comparaison des techniques d'épaississement
Source : AMORCE, Boues de station d'épuration : Techniques de traitement, valorisation et élimination - DT51, 2012

Ainsi d'après la comparaison précédente, il est judicieux d'utiliser une table d'égouttage avec une consommation relativement basse ainsi qu'une efficacité plus stable au niveau du résultat qu'un décanteur. En effet, le décanteur a une plage de variation importante en sortie (2,5 à 5% de siccité) en comparaison à la table d'égouttage donnant en sortie une siccité de 7%. Nous avons donc opté pour cette dernière technologie. Nous obtenons alors les consommations hautes et basses de la table d'égouttage pour un an : 

  • Effluent d'épaississement

Suite à cette technique, nous avons donc un rejet d'effluent qui est renvoyé en entrée de station d'épuration. Le tableau suivant donne les résultats : 

Ce volume obtenu est très négligeable en comparaison au volume reçu par la station d'épuration (cf Etude de réaménagement de la STEP), néanmoins il est nécessaire de calculer la composition en azote et phosphore principalement, de l'effluent à re-traiter afin de prévenir d'éventuelles conséquences quant à la filière d'épuration des eaux. 

 

 

2.2. Digestion des boues

  • Dimensionnement du digesteur

Les boues maintenant épaissies vont donc être digérées dans un digesteur infiniment mélangé de type CSTR. A partir de la production de boues et de leur siccité, on obtient le volume de boues par an qui nous donne ensuite un débit par jour. En considérant un temps de rétention hydraulique (TRH) de 25 jours (cf Modélisation des processus biochimiques de la méthanisation) on peut ainsi calculer le volume minimal du digesteur. 

$$Volume_{Digesteur}= \frac{P}{siccité} \times TRH$$

Avec P en tMS/jour et TRH en jour. Nous avons considéré une densité de 1 pour la matière. La siccité est celle en sortie d'épaississement c'est-à-dire 7%. Le tableau suivant présente les résultats du dimensionnement, avec la hauteur et le diamètre de la cuve que l'on a considéré cylindrique soit un diamètre et une hauteur identiques utilisant la formule $V = 0,25 \times D_{2} \times H$ .

Ce dimensionnement a été effectué prenant en compte uniquement le volume de boues, une majoration est alors nécessaire pour le volume de biogaz produit. On prend donc un volume de digesteur de 1900m​3 avec un diamètre et une hauteur de 13,4 m. On peut donc faire une seule ligne de méthanisation avec un digesteur unique. 

  • Consommation de chaleur du digesteur

La consommation de chaleur du digesteur afin de chauffer le substrat et le maintenir à une température moyenne de 35°C constitue une demande non négligeable. Il est nécessaire de l'estimer car cette chaleur sera fournie par la valorisation du biogaz (cf : dimensionnement des procédés de valorisation du biogaz). Dans notre cas, il est d'autant plus important puisque les températures moyennes à la Réunion sont plus élevées qu'en France Métropolitaine ce qui modifie la part de valorisation du biogaz destinée au chauffage du digesteur. 

Nous avons considéré que le digesteur était parfaitement mélangé. La baisse de température vient donc à la fois du substrat envoyé dans le digesteur et récupéré en continu à sa sortie, et de la perte de chaleur par conduction sur les parois. La température de ce substrat est fixée à 25°C avec un débit d'entrée et de sortie identique à 58 m3/j (cf 2.3.Post-traitement du digestat). Sur la base d'un bilan thermique on peut alors en déduire la quantité de chaleur à fournir.  

En considérant $T_{i}$ la température à l'intérieur du digesteur (soit de 35°C), $T_{e}$ la température extérieure (25°C), $k$ la conductivité thermique des parois, $e$ l'épaisseur et $S$ la surface des parois, on peut déterminer l'énergie nécessaire pour chauffer. $$Q_{chauffage} = q \times p \times C_{p} \times (T_{e}-T_{i}) + \frac{(T_{e}-T_{i})}{\frac{e}{k}} \times S $$Avec $q$ le débit en sortie et entrée en m3/j, $p$ la masse volumique en kg/m3 qui sera ici équivalente à celle de l'eau et $C_{p}$ la capacité thermique massique à volume constant en J/(K.kg). On obtient un résultat $Q_{chauffage} = 29,75 kW$ si la paroi est isolée (10 cm de laine de verre en plus des 15 cm de béton). Cette valeur sera discutée par la suite. 

  • Consommation électrique pour l'agitation

​​La consommation électrique pour l'agitation peut s'évaluer grâce à des valeurs données par R. Moletta (La méthanisation, 2011). On a ainsi une consommation de 50 à 100 kWh par tonne de MS introduite dans le digesteur pour une agitation par recirculation de biogaz. En prenant les valeurs pour 1 an on obtient donc les résultats suivants : 

Ce résultats seront explicités lors de l'étude du coût d'exploitation ainsi que du fonctionnement.  

 

2.3. Post-traitement du digestat

Une fois la digestion des boues effectuée, on récupère le digestat correspondant aux boues digérées. Ce disgestat va subir une déshydratation avant sa valorisation. 

  • Production de digestat

​​La production de digestat est déterminée à partir du volume de boues en entrée ainsi que du pourcentage de réduction de masse. Ce dernier est donné par la modélisation des processus biochimiques de la méthanisation. Il permet donc d'obtenir la masse sèche de digestat. Cette réduction étant de 49,5% avec un volume considéré comme constant on peut ainsi en déduire que la siccité est divisée par deux soit de 3,5%. 

   

 

  • Déshydratation du digestat

Etant donné l'état relativement liquide du digestat, un traitement de déshydratation est nécessaire afin de produire un digestat potentiellement compostable. L'objectif est donc de passer d'un digestat avec une siccité de 3,5% à une siccité de 25%. Il est donc indispensable de choisir une technique particulière, qui se fera sur des critères de consommation électrique. Le graphique suivant présente les consommations des principales techniques envisagées. 


Comparaison des techniques de déshydratation 
Source : Chopy X., Bachmann N., La digestion des boues d'épuration : situation et potentiel d'optimisation, 2012, EREP SA. 

 

D'après les données précédentes, la technique idéale serait donc la presse à vis qui, sur la période d'un an, ne consommerait que 6384 kWh. Le but est maintenant de savoir si la quantité de digestat à déshydrater correspond aux préconisations des fournisseurs. Le tableau suivant répond à la condition précédemment évoquée. 


Comparaison flux de digestat et valeurs acceptables
Source : EMO, 2014, URL : http://www.emo-france.com/produits/deshydratation/presse-vis/​

 

L'utilisation de la presse à vis est donc adaptée dans notre cas. De plus, le compostage est réfléchi pour deux scénarios l'un avec du digestat et le second avec des boues déshydratées uniquement (cf Etude de la filière de compostage pour la valorisation des boues et du digestat). Dans le second cas, la presse est aussi une bonne technique de déshydratation. 

  • Effluent de déshydratation

​​Suite à cette déshydratation nous passons donc d'un digestat à 3,5% de siccité à un digestat à 25%. Ce qui nous donne le volume d'effluent rejeté que l'on va renvoyer en tête de station d'épuration. Le tableau suivant donne ces résultats. 

2.4. Stockage des boues et digestat

Il est nécessaire de prévoir des silos de stockage dans notre filière. Notamment deux silos de stockage pour les boues de la station d'épuration, avant  et après leur passage sur la table d'égouttage ainsi qu'un silo de stockage du digestat avant son compostage. 

Le premier silo est défini par le volume de boues avec une siccité de 0,7%, ce qui nous donne un volume de 2851 m3 de boues à stocker pour 5 jours en considérant une densité de 1 pour les boues. Soit un silo avec une hauteur de 6m ainsi qu'un diamètre de 24,6m. 

Le second silo est également basé sur le volume de boues, épaissies à 7% de siccité, qui est de 285 m3 à stocker pour 5 jours, autrement dit un silo de 5m de hauteur pour un diamètre de 8,6m. 

Enfin le dernier silo est calculé pour un volume de digestat après déshydratation à stocker pour 2 jours étant donné que l'on peut le composter presque tous les jours. On doit donc stocker un volume de 16m3 soit un silo de 3m de hauteur pour un diamètre de 2,6m. 

 

2.5. Bilan global de l'azote et du phosphore dans le digestat et les effluents aqueux 

Tableau récapitulatif des concentrations en N et P dans le digestat et les effluents aqueux de pré et post-traitement

Nous effectuons un bilan global sur l'ensemble du procédé de l'azote et du phosphore. Nous obtenons ainsi les quantités de ces éléments qui se trouvent dans les effluents aqueux envoyés en tête de STEP et dans le digestat envoyé à la plateforme de compostage (voir Fig. ci-dessus).

Les concentrations en N et P dans les boues d'épuration sont fournies par la modélisation du binôme travaillant sur les traitements d'épuration des eaux usées. Nous utilisons également quatre autres paramètres : les taux d'azote organique, d'azote ammoniacal et de phosphore total passant en solution (respectivement 5 %, 95 % et 50 %) ainsi que le taux de conversion de Norg en NNH4 lors de la digestion (20 %). 

$$[X]_{effluent,sortie}= \frac{[X]_{substrat,entree} \times V_{substrat,entree} \times \%_{X,liquide}}{V_{effluent,sortie}} $$

$$ [X]_{substrat,sortie} = \frac{[X]_{substrat,entree} \times V_{substrat,entree}-[X]_{effluent,sortie} \times V_{effluent,sortie}}{V_{substrat,sortie}}$$

Les quantités de N et P renvoyées vers les bassins à boues activées influencent la quantité de boues produite par la STEP et les concentrations en N et P dans les boues. Or ces variables influencent à leur tour les concentrations en N et P dans les effluents. Nous avons effectué cinq itérations afin de converger vers la solution.

Bibliographie

R. Moletta, La méthanisation, 2e édition, 2011, Edition TEC&DOC, Lavoisier, Paris.

M. Barret, Cours sur la méthanisation, 2014-2015, INP-ENSAT, Toulouse. 

R. Moletta, Méthanisation de la biomasse, 2008, Techniques de l'ingénieur

Methaneva, La méthanisation, 2015. URL : http://www.methaneva.eu/la-methanisation-3.html#pro

SOLAGRO, La méthanisation - Portail Biogaz, 2004. URL : http://www.lebiogaz.info/site/029.html

AMORCE, Boues de station d'épuration : Techniques de traitement, valorisation et élimination, 2012. 

X. Chopy, N. Bachmann, La digestion des boues d'épuration : situation et potentiel d'optimisation, 2012, EREP SA. 

EMO, Presse à vis, 2014. URL : http://www.emo-france.com/wp-content/uploads/2014/01/DP_26-Presse-%C3%A0-vis_a_fr.pdf​

Agence de l'eau Rhône Méditerranée Corse, Méthanisation des boues de stations : Règle de l'art et état des lieux sur les bassins Rhône-Méditerranée et Corse, 2012.