Chapitre 1: Revue bibliographique
1.5 Les méthodes de caractérisation des boues d’épuration
1.5.1 La mesure du potentiel méthane
Depuis une vingtaine d’années, différents protocoles de mesure ont été proposés (Muller et al., 2004). Ils se divisent en deux groupes : des protocoles pour déterminer la biodégradabilité anaérobie de composés chimiques (ISO 14853 1999; ASTM D 5511–1994; ASTM 5210 -1992; ASTM E 2170- 2001; ISO 15473–2002…) et des protocoles pour déterminer la biodégradabilité ultime de composés organiques complexes ou la production de méthane (ISO 11734–1995; ISO/DIS 14853–1999; UK Environment Agency 2005…). Cependant, ces protocoles contiennent des divergences et sont généralement modifiés par les chercheurs afin d’évaluer la biodégradabilité anaérobie du composé organique étudié (Angelidaki et al., 2009). En conséquence, les protocoles utilisés ainsi que les conditions opératoires et les équipements mis en œuvre pour évaluer les performances de biodégradation anaérobie ne sont pas standardisés. Ainsi, le grand nombre de données générées depuis une vingtaine d’années sur l’évaluation du potentiel méthane de substrats organiques peut s’avérer difficilement comparable entre différents auteurs. Le Tableau 1.3 présente une liste non exhaustive de protocoles de mesure pour estimer la dégradabilité anaérobie de différents substrats organiques. Nous nous sommes intéressés uniquement aux tests de dégradation en condition batch afin d’observer les différentes étapes intermédiaires de la dégradation des boues et d’évaluer un potentiel de méthane maximal de l’échantillon. En effet, les tests de dégradation réalisés en condition continue ne permettent pas d’évaluer un potentiel maximal mais plutôt un taux de dégradation transposable à des procédés industriels et n’apporte pas d’information sur les variations des composés intermédiaires en régime de fonctionnement normal.
Le Tableau 1.3 montre des différences importantes sur les protocoles utilisés au cours des dernières années pour évaluer le potentiel méthane de boues d’épuration :
• la valeur du ratio d’alimentation qui correspond au rapport de la quantité de substrat sur la quantité d’inoculum introduit dans la fiole de suivi est très variable d’une étude à une autre. De plus, ce ratio est rarement exprimé avec la même unité. Certains auteurs utilisent le volume ou la masse pour décrire les quantités introduites,
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• l’agitation est aussi un paramètre très hétérogène. Certains auteurs effectuent leur expérience sans agitation ou par agitation intermittente et d’autres utilisent une agitation constante,
• la température de dégradation dépend de la condition étudiée. Cependant, pour des travaux réalisés à un régime mésophile, la température choisie n’est pas standard et varie entre 35 et 38°C,
• l’ajout de solution tampon est effectué dans certains tests afin d’ajuster l’alcalinité du milieu,
• la qualité de la mesure est évaluée en réalisant un témoin blanc, c’est-à-dire sans substrat afin de vérifier l’activité endogène de l’inoculum, en réalisant plusieurs réplicats et en contrôlant l’activité de l’inoculum par un test avec un substrat totalement dégradable (témoin positif). Dans certains travaux, ces données sont manquantes.
Par contre, un point commun aux différents travaux est l’utilisation d’un inoculum adapté au substrat à étudier. Seuls les travaux de Lee et Shoda (2008a) utilisent une solution commerciale contenant certains microorganismes participant à la dégradation anaérobie.
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Auteurs Substrat Inoculum Conditions opératoires Objectifs
Dogan et
Volume utile de 120 mL Evaluation de l'impact de prétraitements chimiques et par microondes sur la biodégradabilité anaérobie mésophile Ratio inoculum/substrat = 0,5
Ajout d’une solution de macro et micronutriments Flux d'azote pour éliminer l’O2 durant 5 min
Mésophile à 35 °C Ratio gMVinoculum/gMVsubstrat = 1 Concentration dans le réacteur à 3 gMV.L-1 pH ajusté à 7 avec 1 M NaOH ou 1 M HCl
Flux d'azote pour éliminer l’O2
Agitation manuelle lors de la mesure du biogaz produit Mésophile à 35 °C
Duplicat Fiole de 118 mL
Etude de la faisabilité de la codigestion mésophile de boues d’épuration et de
boues issues de bac à graisse
Carrère et al. vinicoles et de boues (4/1)
Volume utile de 100 mL Evaluation de l'impact de différents types de boues secondaires sur les performances de solubilisation lors du
traitement thermique et sur la biodégradabilité anaérobie mésophile Protocole basé sur Buffière et al. (2006)
Ratio inoculum/substrat = 0,5 gDCOsubstrat.gMVinoc-1
Flux d'azote pour éliminer l’O2
Agitation à 200 rpm Mésophile à 35 °C
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Auteurs Substrat Inoculum Conditions opératoires Objectifs
Dwyer et al.
(2008)
Boues secondaires non traitées et
prétraitées thermiquement
Boues digérées traitant une boue d'épuration prétraitée thermiquement
Fiole de 160 mL Evaluation de la formation de composés récalcitrants au cours du traitement
thermique et de l'impact sur la biodégradabilité anaérobie Ratio inoculum/substrat = 0,66 gsubstrat.ginoc-1
Protocole similaire à Owen et al. (1979) pH ajusté à 7,2 avec 1 M NaOH ou 1 M HCl
Dilution avec de l'eau distillée Volume utile de 50 mL Flux d'azote pour éliminer l’O2
Triplicat Sans agitation
Blanc effectué avec un mélange inoculum et eau distillée
Mésophile à 38 °C
Contrôle abiotique effectué avec un échantillon de boue autoclavé à 121°C pdt 3 h inoculé avec 1 g.L-1 d'acétate Eskicioglu et
al. (2008)
Boues primaires, secondaires et digérées et prétraitées
par microondes
Boues digérées traitant un mélange de boues primaires et secondaires
(42/52)
Fiole de 0,5 ou 1 L Evaluation de l'impact du traitement par micro-ondes sur la solubilisation de la matière et la sur la dégradation anaérobie Protocole basé sur Owen et al. (1979)
Ajout d'un mélange de NaHCO3 et de KHCO3 pour obtenir une alcalinité de 4 000-9 000 mgCaCO3.L-1
Flux d'azote pour éliminer l’O2
Agitation à 50-90 rpm Mésophile à 35°C
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Auteurs Substrat Inoculum Conditions opératoires Objectifs
Ferrer et al. traitant un mélange de boues
primaires et secondaires, provenant de réacteurs de
laboratoire
Fiole de 300 mL (SIGG®) Evaluation de l'impact du temps de prétraitement à 70°C sur la production de
biogaz en condition thermophile Ratio inoculum/substrat = 0,5 gsubstrat.ginoc-1
Protocole basé sur Soto et al. (1993) Flux d'azote pour éliminer l’O2
Triplicat
Blanc effectué avec l'inoculum seul Thermophile à 55 °C
Jeong et al.
(2008)
Boue secondaire Boue digérée traitant la boue étudiée
Fiole de 120 mL Evaluation de l'impact du ratio COD/sulfate sur la digestion anaérobie de
boues non traitées et prétraitées thermiquement
Ratio inoculum/substrat = 40 mLinoc et 40 mLsubstrat
sont introduits
Ratio inoculum/substrat = 9 gsubstrat.ginoc-1 Volume utile de 400 mL
Blanc effectué avec l’inoculum seul Agitation deux fois par jour
Mésophile à 37 °C
Evaluation de la co-digestion de boues d'épuration et de boues enrichies en fer
issues du procédé de Fenton
Schievano et
Fiole de 100 mL Evaluation de la dégradation d’un substrat complexe en entrée et en sortie de digesteur Concentration dans la fiole de 3,5 gMS.L-1
Flux d'azote pour éliminer l’O2 Volume utile de 60 mL Blanc effectué avec l'inoculum seul
Batch suivi sur 60 jours Mésophile à 37°C
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Auteurs Substrat Inoculum Conditions opératoires Objectifs
Yasui et al.
(2008)
Boues secondaires Boues digérées traitant les boues secondaires étudiées
Fiole de 1 L Evaluation de la biodégradabilité anaérobie mésophile afin d'étudier le lien entre la
biodégradabilité aérobie et anaérobie Utilisation du respiromètre AER-200 (Challenge
Technology)
Ratio inoculum/substrat = 0,45 gDCOsubstrat.gDCOinoc-1
Concentration dans le réacteur entre 3 et 4 gMV.L-1 Flux d'azote pour éliminer l’O2
Ajout d'une solution tampon Mésophile à 35°C
Blanc effectué avec l'inoculum seul Benabdallah mélange de boues primaires et
secondaires (3/1), provenant de réacteurs de laboratoire
Fiole de 250 mL Evaluation de l'impact de la sonication sur la biodégradabilité anaérobie en condition
mésophile et thermophile Ratio inoculum/substrat = 0,5 gDCOsubstrat.gMVinoc-1
Ajout de 1 mL Na2S,9H2O (13,8 mg.L-1) Ajout de 1 mL NaHCO3 (172,5 g.L-1)
Dilution avec de l'eau distillée Volume utile de 200 mL
Blanc effectué avec un mélange inoculum et eau distillée
Volume utile de 400 mL Evaluation de l'impact du traitement thermique sur la biodégradabilité anaérobie
mésophile Protocole basé sur Buffière et al. (2006)
Inoculum dilué à 4 gMVS.L-1
Ratio inoculum/substrat = 0,5 gDCOsubstrat.gMVSinoc-1
Flux d'azote pour éliminer l’O2
Agitation à 200 rpm Mésophile à 35 °C
Blanc effectué avec l'inoculum seul Activité de l'inoculum évalué avec de l'éthanol
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Auteurs Substrat Inoculum Conditions opératoires Objectifs
Angelidaki et al. (2006)
Fractions organiques des déchets solides
municipaux
Boues digérées traitant des déchets industriels et des
déchets organiques municipaux
Fiole de 550 mL Evaluer l'impact du ratio inoculum/substrat sur la production de méthane
Ratio inoculum/substrat = 150 mLinoc et 100 mL d'un mélange eau et substrat sont introduits
Flux d'azote pdt 3 min pour éliminer l’O2 Teneur en MS du substrat de 0 à 30 % Duplicat Evaluer l'impact de la température sur la
production de méthane Sans agitation
Blanc effectué avec un mélange inoculum et eau Température testée de 5 à 65°C Arnaiz et al.
(2006)
Boues primaires, secondaires et
mélange primaire/secondaire
(1/1)
Boues digérées traitant un mélange de boues primaires et
secondaires (1,5/1)
Fiole de 250 mL Evaluation de la concentration en MV et de la concentration en biomasse active au cours de la digestion anaérobie de différents
types de boues Ratio inoculum/substrat = 20 mLinoc et 180
mLsubstrat
Flux d'azote pdt 15 min pour éliminer l’O2
Triplicat Agitation à 250 rpm
Mésophile à 35 °C
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Auteurs Substrat Inoculum Conditions opératoires Objectifs
Buffière et al.
(2006)
Déchets solides Boue digérée thermophile traitant un mélange de déchets
organiques
Réacteur de 3,5 L Trouver une corrélation entre la composition des substrats et leur biodégradabilité anaérobie thermophile et
évaluation de l'adaptation de l'inoculum Protocole basé sur Owen et Chynoweth (1993) et
Angelidaki et Sanders (2004)
Ratio inoculum/substrat = 0,5 gDCOsubstrat.gMVinoc-1 Concentration dans le réacteur entre 3 et 4 gMV.L-1
Flux d'un mélange N2/CO2 (75/25) pour éliminer l’O2
Quatre alimentations successives Thermophile à 55°C
Blanc effectué avec l'inoculum seul Activité de l'inoculum évalué avec de la cellulose
cristalline Bonmati et al.
(2001)
Boues provenant d'effluents porcins
Boues digérées traitant des boues d'épuration
Fiole de 120 mL Evaluation de l'impact du traitement thermique l'amélioration de la phase d'hydrolyse et sur la digestion anaérobie
mésophile Ratio inoculum/substrat = 9 gsubstrat.ginoc-1
Flux d'un mélange N2/CO2 pdt 3 min pour éliminer l’O2
Quatre réplicats Mésophile à 35°C
1 Non disponible
Tableau 1.3 : Protocoles de mesure du potentiel de méthane de substrats organiques proposés dans la littérature scientifique.
46 Les travaux de Owen et al. (1979) et Owens et Chynoweth (1993) sont les premiers à proposer un protocole détaillé de mesure du potentiel méthane de déchets organiques. A l’heure actuelle, ce protocole est encore une référence dans ce domaine comme le prouve certaines recherches listées dans le Tableau 1.3. Owens et Chynoweth (1993) mettent en avant la qualité de ce protocole qui a été contrôlée grâce à la réalisation de triplicat, d’un témoin blanc, d’un témoin positif, chaque test ayant de plus été réalisé à la même concentration en MV.
Un groupe de travail de l’IWA dont le but est d’élaborer un protocole commun pour la mesure du potentiel méthane de déchets organiques a été créé au cours du IXème congrès mondial
« Anaerobic Digestion » en 2001 à Anvers en Belgique, sous l’initiative principale du Professeur Alberto Rozzi. Ainsi, le groupe « Anaerobic Biodegradation, Activity and Inhibition » (ABAI) a publié très récemment un article afin de proposer un guide pour effectuer un test de mesure du potentiel méthane de déchets solides organiques (Angelidaki et al., 2009). Ce guide permet ainsi de suivre les points importants à respecter pour réaliser un test fiable et reproductible entre différents laboratoires de recherche. Il synthétise en partie les travaux de Owens et Chynoweth (1993), Angelidaki et Sanders (2004) et Hansen et al.
(2004). Ils mettent en avant plusieurs points dont les plus importants applicables aux boues sont les suivants :
• l’inoculum doit provenir d’un digesteur traitant le même type de substrat à étudier. Il est nécessaire d’éliminer les résidus organiques présents dans l’inoculum avant le début des tests grâce à une pré-incubation,
• la qualité de l’inoculum est à vérifier par un test avec un composé facilement dégradable (acétate ou cellulose),
• le volume d’inoculum à utiliser dépend de l’activité, de la concentration en biomasse de l’inoculum mais également de la concentration en substrat. Un volume plus important est préconisé lorsque l’inoculum est une boue digérée car elle est moins concentrée en biomasse active par rapport à des granules anaérobies,
• une solution de macro et micronutriments peut être utilisée afin d’assurer un fonctionnement optimal des microorganismes, essentiellement dans le cas de déchets solides ou de biomasses issus de l’agriculture,
• la réalisation de témoins blanc et chaud est nécessaire afin de déterminer la production réelle du substrat étudié. Un nombre de réplicats de trois est recommandé mais il peut dépendre de l’hétérogénéité du substrat,
• l’agitation facilite le contact entre les microorganismes et le substrat et garantit un milieu homogène. L’agitation a une grande influence dans l’étude des vitesses de réactions (Vavilin et al., 2008a),
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• un mélange de gaz N2/CO2 à 80/20 est utilisé pour éliminer l’oxygène présent dans l’inoculum et le substrat,
• les productions mesurées de chaque constituant du biogaz sont calculées dans les conditions normales de température et de pression (CNTP) afin de pouvoir publier et comparer plus facilement les résultats.
Les productions de biogaz ou de méthane mesurées sont généralement normalisées par la quantité de matière introduite ou éliminée afin de comparer les performances issues de différents échantillons. Il s’agit alors d’une production spécifique qui est exprimée dans la littérature de différentes façons : en mL.gMV-1, en mL.gDCO-1, en mL.gMS-1. Ces unités sont les plus couramment utilisées. Il serait également nécessaire pour ce paramètre de standardiser l’unité de la production spécifique afin de comparer facilement les résultats issus de la littérature scientifique.
Cependant, les productions spécifiques exprimées par rapport à la quantité de matière organique ou de DCO, mesurées lors des tests de dégradation, ne permettent pas d’expliquer les différences de dégradation obtenues sur des substrats similaires ou sur un même substrat d’alimentation analysé à différents instants t. Le Tableau 1.4 présente les productions spécifiques de deux études : l’étude de Carrère et al. (2008) porte sur l’évaluation de la dégradabilité de différentes boues secondaires et l’étude de Schievano et al. (2008) porte sur la mesure de la dégradabilité d’un même mélange de composés organiques alimentant un digesteur mésophile au cours du temps. Les productions spécifiques des boues secondaires et
du mélange organique sont très variables avec des valeurs moyennes respectives de 151 ± 39 mLCH4.gDCOintroduite-1
et de 650 ± 75 mLbiogaz.gMS-1
. Ainsi, les mesures des paramètres globaux tels que la quantité de MV, MS ou encore de DCO, sur les substrats à étudier, ne suffisent pas pour expliquer les différences sur les performances de dégradation anaérobie obtenues à partir d’un même type de substrat. Il est donc important de s’intéresser à la composition et à l’origine du substrat en analysant les différents composés présents et en déterminant l’agencement de la matière. Pour cela, différentes méthodes de caractérisation sont proposées dans la littérature. Le paragraphe suivant présente des méthodes d’extraction et d’analyses qui sont intéressantes pour définir l’organisation et identifier les composés organiques présents dans les boues secondaires.
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Auteurs Substrat Productions
spécifiques
Unité Carrère et al.
(2008)
Boues secondaires A 185,5
mLCH4.gDCOintroduite-1
Tableau 1.4 : Exemples de productions spécifiques obtenues sur des substrats similaires et sur un même substrat d’alimentation analysé à différents instants t.