Techniques de digestion

2.5.1.1 Digestion aérobie

La digestion aérobie est similaire à un procédé de boues activées dans lequel les microorganismes consomment leur propre protoplasme pour obtenir l‟énergie nécessaire à leur maintenance et rentrent ainsi en respiration endogène (Grady et al., 1999; van Haandel and Lubbe, 2007; Metcalf & Eddy, 2003). Ce procédé permet de stabiliser la biomasse active XH qui se dégrade selon une

cinétique de premier ordre mais accumule les fractions organiques XI et XE. L‟enlèvement des

VSS dépend fortement de la température et du SRT (Figure 2.15) et se situe dans la plage 38-50 %. Un ajout d‟alcalinité est requis pour répondre aux besoins de la nitrification de l‟azote

Figure 2.15 - Enlèvement de VSS en fonction de T et du SRT (Metcalf&Eddy, 2003)

Selon la température d‟opération et le nombre de stages (digesteurs) mis en jeu dans ce procédé, il y a lieu de distinguer les variantes suivantes résumées dans le Tableau 2.10 (Grady et al., 1999; Metcalf & Eddy, 2003) :

Tableau 2.10 - Configurations pour le procédé de digestion aérobie

Configuration Caractéristiques Dual

Digestion

-Stage aérobie + stage anaérobie (les deux en mésophile)

-Stage aérobie (thermophile,55 à 65°C, SRT: 18 à 24 h) + stage anaérobie (mésophile, SRT : 10 d)

- Avantages : réduction de pathogènes, plus de réduction de solides, plus de méthane dans la phase anaérobie, moins de volume de digesteur requis.

Autothermal Thermophilic Aerobic Digestion

- Boues épaissies, digesteur avec isolation

- T : 55 à 70 °C (si 2 stages : T1 : 35-50°C et T2 : 50-70 °C)

- SRT : 6 à 8 d (plage 4-30 d)

- Charge en VSS (25 g/L) : 3.2- 4.2 kg VSS/m3.d - ATAD, opéré en général, en microaération

- Fermentation : 4 CH2NH2COOH + 4H2O3CH3COOH + 2(NH4)2CO3

- Consommation de l‟acide acétique : CH3COOH + 2O22CO2 +2 H2O

- pH : 8 à 9

- Avantages : SRT faible, possibilité de réduire les pathogènes à 55 °C, opération simple - Inconvénients : nitrification inhibée à T élevée, mauvaise déshydratation des solides générés High-Purity

Oxygen Digestion

- HP O2 au lieu d‟air, diffuseur spécial : minute oxygen bubbles

- Avantages : Procédé exothermique, applicable même si la température est basse - Inconvénients : Coût élevé du HP O2

2.5.1.2 Digestion anaérobie

La digestion anaérobie est un procédé opéré en l‟absence d‟oxygène et de nitrates qui permet de stabiliser la matière organique et inorganique (sulfates principalement). Il est fréquemment utilisé dans les stations d‟épuration pour la stabilisation des boues primaires et secondaires (Grady et al., 1999; van Haandel and Lubbe, 2007; Metcalf & Eddy, 2003). Les produits finaux de ce procédé sont principalement le méthane et le dioxyde de carbone. Les processus mis en jeu dans une digestion anaérobie sont : l‟hydrolyse, l‟acidogenèse, l‟acitogenèse et méthanogenèse (Eastman, 1977; van Haandel and Lubbe, 2007; Metcalf & Eddy, 2003; Vavilin et al., 2008). La Figure 2.16 adaptée de van Haandel and Lubbe (2007) illustre, dans le cas de boues activées, les quatre processus énumérés ci-dessus y compris les principaux produits intermédiaires et finaux. L‟hydrolyse de matière particulaire (protéines, carbohydrates et lipides) en molécules solubles (peptides, saccharides et acides gras volatils VFAs) est réalisée par des exo-enzymes secrétées par la biomasse fermentaire. Ce processus est l‟étape limitant dans un procédé de digestion anaérobie (Eastman, 1977; van Haandel and Lubbe, 2007). Pendant l‟acidogenèse, les produits hydrolysés sont convertis en VFAs (acétique, propionique et butyrique, principalement), alcools, aldéhydes et gaz (CO2, H2 et NH3). Les produits de l‟acidogenèse sont transformés pendant

l‟acitogenèse en acide acétique, hydrogène et dioxyde de carbone. Enfin, la méthanogenèse vient convertir les produits des 3 étapes en méthane et dioxyde de carbone.

Figure 2.16 - Principaux processus dans une digestion anaérobie de boues activées, adapté de van Haandel and Lubbe (2007)

 Paramètres influençant le rendement de la digestion anaérobie

Il s‟agit de la température, le SRT, le pH, les nutriments et la présence de toxiques.

- Température : Elle affecte la cinétique de croissance de la biomasse et le taux d‟enlèvement des VSS. Sur le graphique gauche de la Figure 2.17 tirée de (van Haandel and Lubbe, 2007), le rendement de digestion atteint son maximum vers 35-37°C. Entre 37 et 42°C, le taux de digestion baisse pour augmenter de nouveau à des températures supérieures à 42°C jusqu‟à l‟atteinte d‟un maximum absolu vers 53-55°C (pas montré sur le graphique). En thermophile (53-55°C), le peu d‟enlèvement de VSS additionnel n‟est pas justifié vue la grande demande en énergie, cependant, il y a plus de réduction de pathogènes ;

- SRT : Il affecte également la cinétique de croissance de la biomasse. On peut combiner le SRT et la température pour cibler un rendement de digestion. En effet, un même degré d‟enlèvement de VSS peut être accompli par différentes combinaisons de (température, SRT).

Matière organique en suspension: Protéines, carbohydrates, lipides, etc.

100% COD

Acides aminés, sucres Acides gras volatils

Hydrolyse

61% 5% 34%

39%

Sous-produits intermediaries: Propionate, butyrate, etc.

Acétate Hydrogène Méthane Acidogenèse Acétogenèse Méthanogenèse 34% 11% 23% 20% 66% 35% 11% 20% 8% 12% ? 30% 70% 100% COD

Le graphique droit de la Figure 2.17 permet d‟apprécier cet aspect dans le cas de digestion anaérobie de boues primaires (O'Rourke, 1968);

- pH : un pH aux alentours de 7.0 est requis par les méthanogènes dont la croissance devient faible si l‟on s‟écarte de la plage 6.5-7.5;

- Nutriments : Les macroéléments (N et P) sont assurés automatiquement lors de la digestion des boues primaires ou secondaires. Certains auteurs ont évoqué des besoins en fer qui peut être problématique en cas de carence et que son ajout s‟est montré bénéfique pour les performances d‟un digesteur anaérobie (van Haandel and Lubbe, 2007; Novak et al., 2007; Park et al., 2006a);

- Présence de toxiques : toxicité liée au pH, excès de sulfures, excès de VFAs, excès d‟ammonium et métaux lourds (Hg, Cd, Zn, Cr, Ni, etc.).

Figure 2.17 - Effet de la température et du SRT sur le rendement de digestion (van Haandel and Lubbe, 2007)

 Variantes du procédé de digestion anaérobie

Un résumé sur les variantes du procédé de digestion aérobie établi à partir de (Metcalf & Eddy, 2003) est fourni au Tableau 2.11.

Tableau 2.11 - Configurations du procédé de digestion anaérobie

Configuration Caractéristiques

Single-Stage High- Rate Digestion

Digesteur chauffé, mélange uniforme et alimentation cyclique, enlèvement de VSS : 45-50 %

Two-Stage Digestion Un premier digesteur (type Single-Stage High-Rate Digestion) est couplé en série à un second réservé au stockage (ni chauffé ni mélangé)

Separate Sludge Digestion

Boues primaires et secondaires traitées séparément

Staged mesophilic digestion

2 digesteurs en série opérés en mésophile : SRT1 (7 à 10 d), SRT2 variable, boues

digérées faciles à déshydrater. Temperature- Phased

digestion TPAD

2 digesteurs D1 et D2 en série opérés selon les 2 configurations suivantes:

- D1 en thermophile, SRT1 (3 à 5 d) et D2 en mésophile, SRT2 (7 à 15 d)

- D1 en mésophile, SRT1 > 7 à 10 d et D2 en thermophile, SRT2 > 5 d

Rendement amélioré de 10-25% par rapport à un Single-Stage High-Rate Digestion Acid/Gas Phased

Digestion

- 2 digesteurs D1 et D2 en série opérés selon les 2 configurations suivantes:

- D1 pour acidogenèse, mésophile, SRT (1 à 3 d) et D2 pour méthanogenèse,

mésophile ou thermophile, SRT > 10 d

- D1 pour acidogenèse, thermophile, SRT (1 à 2 d) et D2 pour méthanogenèse,

mésophile ou thermophile, SRT > 10 d - pH1 6 et pH27 ou légèrement alcalin

Rendement élevé d’enlèvement de VSS (50-60%, pleine échelle) Staged Thermophilic

Digestion

Un Digesteur de taille large connecté à un ou plusieurs petits digesteurs (réduction de pathogènes)

Rendement de l’ordre de 63%.