La méthanisation des boues issues du traitement des eaux usées : comparaison des performances de 3 technologies différentes

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La méthanisation des boues issues du traitement des

eaux usées : comparaison des performances de 3

technologies différentes

A.L. Reverdy, J.C. Baudez, Emilie Dieudé-Fauvel

To cite this version:

A.L. Reverdy, J.C. Baudez, Emilie Dieudé-Fauvel. La méthanisation des boues issues du traitement des eaux usées : comparaison des performances de 3 technologies différentes. irstea. 2011, pp.40. �hal-02598022�

La méthanisation des boues

issues du traitement des eaux

usées

Comparaison des performances de trois

technologies différentes

Décembre 2011

REVERDY Anne-Laure, BAUDEZ Jean-Christophe, DIEUDE-FAUVEL Emilie

Cemagref

Centre de Clermont-Ferrand

Site de Recherche et Développement de Montoldre

Domaine des Palaquins 03150 MONTOLDRE

INTRODUCTION ___________________________________________________ 1 1. CONTEXTE __________________________________________________ 3

2. ANALYSE COMPARATIVE A PARTIR DE LA BIBLIOGRAPHIE ________ 5

2.1. Prétraitement par hydrolyse thermique _______________________________________________ 5

2.2. Digesteur thermophile ______________________________________________________________ 6

2.3. Méthanisation des boues sur deux étages de digestion ____________________________________ 7

2.4. Comparaison des procédés __________________________________________________________ 8

2.4.1. Performances ___________________________________________________________________ 8 2.4.2. Déshydratabilité des boues _______________________________________________________ 10 2.4.3. Energie ______________________________________________________________________ 11

2.5. Principales conclusions portants sur l'analyse bibliographique ___________________________ 13

3. ANALYSE DES DONNEES DE TERRAIN __________________________ 14

3.1. Méthodologie générale _____________________________________________________________ 14

3.2. Représentation schématique des stations étudiées ______________________________________ 15

3.2.1. STEU sans digestion ____________________________________________________________ 15 3.2.2. STEU avec digestion anaérobie mésophile ___________________________________________ 15 3.2.3. STEU avec hydrolyse thermique et digestion anaérobie _________________________________ 16 3.2.4. STEU avec digestion anaérobie diphasique __________________________________________ 17

3.3. Les données collectées _____________________________________________________________ 18

3.4. Les paramètres de performances étudiés ______________________________________________ 19

3.5. Choix de l'analyse statistique réalisée ________________________________________________ 20

4. RESULTATS ET INTERPRETATION _____________________________ 21

4.1. Les données de fonctionnement et de performances des digesteurs ________________________ 21

4.1.1. Graphiques des moyennes calculées sur chaque installation ______________________________ 21 4.1.2. Analyse des données statistiques ___________________________________________________ 22 4.1.3. Principales conclusions sur l'analyse des données de terrain _____________________________ 24

4.2. Les données de consommations en polymères lors de la déshydratation ____________________ 26

4.3. Les données d'énergie et de coûts ____________________________________________________ 26

5. DISCUSSION ________________________________________________ 28

5.1. Données de fonctionnement et de performances ________________________________________ 28

5.2. Données de déshydratabilité ________________________________________________________ 29

5.4. Limites et perspectives d'études _____________________________________________________ 29

CONCLUSION ____________________________________________________ 31 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES _________________________________ 33

T

Figure 1 : Comparaison des productivités en biogaz entre les digesteurs expérimentaux (HT + DA = Hydrolyse thermique + digestion anaérobie, DA Therm = Digestion anaérobie thermophile, DA T + M = Digestion anaérobie diphasique) et un digesteur mésophile classique [14] _____________________ 9 Figure 2 : Comparaison du rendement volumique en biogaz entre les digesteurs expérimentaux (HT + DA = Hydrolyse thermique + digestion anaérobie, DA Therm = Digestion anaérobie thermophile, DA T + M = Digestion anaérobie diphasique) et un digesteur mésophile classique [14] ______________ 10 Figure 3 : Comparaison de la déshydratabilité des boues entre les digesteurs expérimentaux (HT + DA = Hydrolyse thermique + digestion anaérobie, DA Therm = Digestion anaérobie thermophile, DA T + M = Digestion anaérobie diphasique) et un digesteur mésophile classique selon le paramètre FC*MS [14] ___________________________________________________________________________ 11 Figure 4 : Comparaison de la déshydratabilité des boues entre les digesteurs expérimentaux (HT + DA = Hydrolyse thermique + digestion anaérobie, DA Therm = Digestion anaérobie thermophile, DA T + M = Digestion anaérobie diphasique) et un digesteur mésophile classique selon le paramètre CST/MS [14] ___________________________________________________________________________ 11 Figure 5 : Equilibre énergétique de la digestion mésophile classique ________________________ 12 Figure 6 : Equilibre énergétique de la digestion thermophile _______________________________ 12 Figure 7 : Equilibre énergétique de la digestion diphasique thermophile puis mésophile _________ 13 Figure 8 : Synoptique de la station de référence sans digestion ____________________________ 15 Figure 9 : Synoptique de la station avec digestion anaérobie mésophile ______________________ 16 Figure 10 : Synoptique de la station avec prétraitement par hydrolyse thermique des boues avant la digestion mésophile ______________________________________________________________ 17 Figure 11 : Synoptique de la station avec digestion anaérobie diphasique ____________________ 17 Figure 12 : Résultats de l'analyse statistique ___________________________________________ 22

T

Tableau 1 : Comparaison des performances entre une digestion classique et une digestion après prétraitement thermique [8] _________________________________________________________ 6 Tableau 2 : Comparaison des performances entre une digestion mésophile classique, une digestion mésophile après prétraitement et une digestion thermique [7]. _____________________________ 7 Tableau 3 : Comparaison des performances de la digestion mésophile et de la digestion diphasique thermophile/mésophile de Cologne [12] _______________________________________________ 7 Tableau 4 : Caractéristiques des stations de traitement des eaux usées enquêtées _____________ 14 Tableau 5 : Informations recueillies auprès des stations de traitement des eaux usées étudiées___ 18 Tableau 6 : Résultats du test de Kolmogorov-Smirnov ____________________________________ 22 Tableau 7 : Consommations en polymère lors de l'étape de déshydratation sur les différentes stations de traitement des eaux usées _______________________________________________________ 26

T

Graphique 1 : Nature des déchets méthanisés sur les stations enquêtées en 2010 ______________ 3 Graphique 2 : Présence de prétraitement ou non sur les stations enquêtées en 2010 ____________ 3 Graphique 3 : Nombre de phases dans le système de digestion sur les stations enquêtées en 2010 _ 3 Graphique 4 : Nature du brassage des boues sur les stations enquêtées en 2010 _______________ 4 Graphique 5 : Chauffage des boues sur les stations enquêtées en 2010 _______________________ 4 Graphique 6 : TRH (j) ______________________________________________________________ 21 Graphique 7 : Abattement des matières sèches et matières volatiles (%) _____________________ 21 Graphique 8 : Charge des digesteurs (kg MV / m3 réacteur / jour) ___________________________ 21 Graphique 9 : Productivité en biogaz par tonne de MV détruite (m3 / tMV détruite) ____________ 21 Graphique 10 : Productivité en biogaz par tonne de MV introduite (m3 / tMV détruite) __________ 22 Graphique 11 : Rendement volumique en biogaz (m3 biogaz / m3 digesteur / j) ________________ 22

A

DCO : Demande Chimique en Oxygène MO : Matières Organiques,

MS : Matières Sèches, MV : Matières volatiles

Introduction

I

D'ici à 2020, la France souhaite que les énergies renouvelables représentent 23% de sa consommation totale d'électricité.

En 2010, près de 15% de l'électricité produite étaient issus des énergies renouvelables [1] : - Energie hydraulique et hydroélectricité (80,8%),

- Energie éolienne (9,8%), - Biomasse (5,6%), - Géothermie (0,13%), - Energie solaire (0,27%), - Energie marine (0,7%),

- Déchets non renouvelables (2,7%).

La production d'énergie à partir du biogaz (encore appelée digestion anaérobie ou méthanisation) est une technologie utilisant une biomasse d'origines diverses, comme les déchets agricoles, les déchets municipaux, les déchets alimentaires et les boues issues du traitement des eaux usées. Ces boues représentaient seulement 5% de la part du biogaz synthétisé en France en 2010 [2] et elles étaient produites par seulement 68 stations de traitement des eaux usées (STEU) de plus de 30 000 EH [3].

En prenant en considération les STEU comprises entre 10 000 et 30 000 EH le nombre total de stations équipées d’une technologie de production de biogaz serait de 130 à 140 installations [4]. Sachant que les stations de plus de 10 000 EH traitent en moyenne plus de 80% de la charge de pollution entrante en France, celles-ci représentent donc une source importante de production énergétique.

En France, les technologies de digestion des boues sont la plupart du temps mésophiles et s'appuient sur un grand réacteur brassé dans lequel des boues sont introduites. Le chauffage à 37°C des boues se fait en général par un circuit externe de recirculation [5] :

- Les boues sont pompées depuis le fond du digesteur, - Elles passent dans un échangeur eau chaude / boues,

- Puis retournent vers la bâche d'alimentation du digesteur où elles sont mélangées avec les boues fraîches, permettant de les réchauffer et de les ensemencer en bactéries méthanogènes.

Cependant, il existe d’autres procédés comme la méthanisation après hydrolyse thermique des boues, la méthanisation thermophile ou la méthanisation diphasique (réacteur thermophile suivi d'un réacteur mésophile) et des études comparatives de leurs performances réelles permettant, pour chaque procédé, d'évaluer leur efficacité respective.

C'est pourquoi, dans le cadre des conventions cadres 2009-2013 entre le Cemagref et le Ministère de l'Ecologie, du Développement durable, des Transports et du Logement, une étude portant sur les performances des différentes technologies de méthanisation existantes a été menée en deux temps. Dans une première partie, une analyse bibliographique de l'ensemble des données existantes sur ces différentes technologies a été réalisée.

Puis dans une seconde partie, cinq stations de traitement des eaux usées, avec des technologies différentes, ont été sélectionnées afin d'évaluer les performances relatives à chaque procédé de méthanisation.

Ainsi pour chacune d'entre elles, les paramètres de fonctionnement et les performances ont été analysées aussi bien sur la base d’études en laboratoires que d’applications réelles sur des stations

1. Contexte

1.

Contexte

En France la méthanisation des boues issues du traitement des eaux usées peut être réalisée par diverses technologies en fonction de [3] :

- La nature des déchets introduits dans le digesteur, - La présence éventuelle de prétraitements,

- Le nombre de phases du système de digestion, - Le système de brassage,

- Le système de chauffage.

Boues biologiques seules

68% Boues primaires seules

5% Boues primaires-secondaires-tertiaires seules 5% Boues biologiques + graisses 5% Boues pimaires + biologiques + graisses 14% Co-digestion 3%

Graphique 1 : Nature des déchets méthanisés sur les stations enquêtées en 2010

Graphique 2 : Présence de prétraitement ou non sur les stations enquêtées en 2010

Graphique 3 : Nombre de phases dans le système de digestion sur les stations enquêtées en 2010

Sans prétraitement préalable 94.4% Avec prétraitement par hydrolyse thermique 5.6% Une phase 66% Deux phases 34%

1. Contexte

Graphique 4 : Nature du brassage des boues sur les stations enquêtées en 2010

Graphique 5 : Chauffage des boues sur les stations enquêtées en 2010

Le but de cette étude est de réaliser une comparaison des performances de plusieurs procédés de méthanisation des boues :

- Une station de référence sans méthanisation (référence) - Une station avec méthanisation mésophile classique,

- Une station avec méthanisation mésophile après hydrolyse thermique, - Une station avec méthanisation thermophile,

- Une station avec méthanisation diphasique thermophile puis mésophile.

Dans un premier temps une analyse des données (de laboratoire et de terrain) issues de la littérature a été réalisée.

Dans un deuxième temps, les données recueillies sur site ont été comparées entre elles.

Mésophile 94% Thermophile + Mésophile 3% Thermophile 3% Brassage mécanique 17% Brassage par bullage du biogaz 83%

2. Analyse comparative à partir de la bibliographie

2.

Analyse comparative à partir de la bibliographie

Il existe de nombreuses études portant sur les performances des différentes technologies de méthanisation. Les données issues de ces travaux ont permis d'identifier les paramètres les plus représentatifs du bon fonctionnement de la méthanisation ainsi que les performances de chaque technologie.

2.1.

Prétraitement par hydrolyse thermique

Trois paramètres fondamentaux ont été définis afin d'étudier les performances de l'hydrolyse thermique [6] :

- La désintégration des boues, ou solubilisation : calculée en utilisant un ratio entre la DCO des boues avant et après l'hydrolyse,

- L'augmentation de la biodégradabilité : calculée en comparant la production spécifique de méthane (Volume CH4 / Quantité MV introduite) entre les boues brutes et les boues traitées, - La déshydratabilité des boues.

L'hydrolyse thermique s'effectue entre 160 et 180°C pendant 30 à 60 minutes. La pression associée varie entre 600 et 2500 kPa [7]. Il semble néanmoins que le temps de traitement n'a qu'un faible impact par rapport à la gamme de température.

La désintégration des boues est maximale à une température d'hydrolyse de 170°C. Au-delà de cette température, les boues sont moins biodégradées à cause de la formation de composés inhibiteurs [7].

La digestion après hydrolyse apparait être plus performante que la digestion classique (Tableau 1) :
La perte de DCO est de 70% après hydrolyse contre 44% pour une digestion classique [8]. Lors du prétraitement thermique des boues, les particules organiques sont liquéfiées en polysaccharides solubles, lipides et protéines, ou convertis en composés chimiques de plus faible masse. De plus, le prétraitement thermique augmente le niveau de solubilité des protéines [9].

L'analyse des MS montre qu'il y a une augmentation de 117% de leur dégradation entre le digesteur de boues non traitées et le digesteur après hydrolyse thermique.

La quantité de biogaz produit est également augmentée lors de l'hydrolyse thermique des boues. Cette augmentation est liée à la dégradation des matières organiques qui a été favorisée lors de l'hydrolyse thermique.

2. Analyse comparative à partir de la bibliographie

Tableau 1 : Comparaison des performances entre une digestion classique et une digestion après prétraitement thermique [8]

Boue brute Boue digérée Boue prétraitée par hydrolyse thermique

DCO total (mgO2 / dm3) 17 400 9 761 5 082

Perte de DCO (%) 43.9 70.7 Augmentation1 (%) 61 MS (g / dm3) 17.2 12.5 7.0 Perte de MS (%) 27.3 59.3 Augmentation (%) 117 MV (g / dm3) 12 7.8 4.0 Perte de MV (%) 34.8 66.9 Augmentation (%) 92 Production biogaz (dm3CH4 / jour / m3) 78 118 Augmentation (%) 54 Rendement de biogaz (dm3CH4 / kg MV introduit) 128 228 Augmentation (%) 78

De plus, la nature et la concentration des boues ont un impact direct sur l'efficacité et/ou la pertinence de l'hydrolyse [10].

Cependant cette technologie présente des inconvénients [7] : - Elle augmente la fraction inerte soluble,

- Elle augmente les risques d'inhibition liés à la présence d'ammoniac dans le digesteur principal,

- Elle diminue éventuellement les taux de capture lors de la déshydratation à cause de l'augmentation des particules de petite taille.

2.2.

Digesteur thermophile

La digestion thermophile reste relativement rare en France. Des tests en laboratoire montrent cependant que les performances de cette technologie sont plus importantes qu'une digestion mésophile classique vis-à-vis de la réduction des quantités de MS et de MV et de l'hygiénisation des boues. Par contre, elle reste moins performante qu'une digestion après prétraitement thermique des boues [7], [11].

1

2. Analyse comparative à partir de la bibliographie

Tableau 2 : Comparaison des performances entre une digestion mésophile classique, une digestion mésophile après prétraitement et une digestion thermique [7].

Méthode de prétraitement Conditions de traitement Siccité des MS entrantes Taux de destruction des MV Consommation électrique (kWh/kg MV introduite) Consommation thermique (kWh/kg MV introduite) Production de biogaz (kWh/kg MS introduite) Nul - Mésophile 6% 40% 0,04 0,5 1,9 Nul - Thermophile 6% 50% 0,03 1,0 2,4 Hydrolyse thermique 170°C – 15-30 min 9% 60% 0,04 2,0 2,9

2.3.

Méthanisation des boues sur deux étages de digestion

D'après la littérature, un seul réacteur limiterait le développement des bactéries entrant en jeu lors des réactions chimiques. De plus les étapes intermédiaires d'acidogenèse et d'acétogenèse doivent être équilibrées entre la production et la consommation. Si ces paramètres ne sont pas respectés, le système peut devenir instable [12].

Ainsi, l'installation d'un système diphasique (thermophile/mésophile) permettrait d'améliorer les performances de la méthanisation en séparant les phases d'acidogenèse et de méthanogenèse [13].

Le réacteur thermophile installé en tête du système diphasique contribue principalement à [13] : - Une plus forte dégradation des matières sèches par rapport à une digestion mésophile liée à

une pré-dégradation des boues dans le digesteur thermophile, - Une plus forte production de biogaz,

- L'amélioration de l'équilibre énergétique de la station de traitement des eaux usées, - Réduire les risques de moussage,

- Améliorer la destruction des agents pathogènes contenus dans les boues.

Dichtl et al. [12] ont réalisé la comparaison des performances d'une installation de traitement de la ville de Cologne qui est passée d'un système de digestion mésophile classique à une digestion diphasique thermophile/mésophile (Tableau 3).

Tableau 3 : Comparaison des performances de la digestion mésophile et de la digestion diphasique thermophile/mésophile de Cologne [12]

Un étage de digestion mésophile Deux étages de digestion thermophile / mésophile Dégradation des matières organiques (%) 48.9 56.4

Production de biogaz (m3/jour) 22 965 28 694

Production spécifique de biogaz (l/kg MS) 860 845 Concentration des MS dans la boue digérée (kg

MS/m3) 33.4 33.2

MV (%) 52.2 47.8

Ils ont constaté une très légère diminution de la production spécifique de biogaz (en litres / kg MS) dans le cas des deux étages de digestion, pouvant être expliquée par la présence de MO inhibitrices présentant un rendement moins important. Cette hypothèse est confirmée par l'augmentation du

2. Analyse comparative à partir de la bibliographie

La comparaison avec une digestion mésophile à un étage montre néanmoins que le procédé de digestion sur double étage est globalement plus performant [12] :

- Il permet une meilleure stabilisation pour le même volume total de réacteur par rapport à un simple étage de méthanisation,

- Un volume plus faible de réacteur est nécessaire afin d'assurer la stabilisation des boues, - La production journalière de biogaz (en m3 / jour) est accrue,

- Il y a mise en équilibre des concentrations dans le premier étage de digestion, - Une augmentation du pouvoir tampon se produit vis-à-vis des éléments inhibiteurs

- Il permet une désinfection des boues sans avoir à investir dans un système spécifique de désinfection des boues.

Grâce à une pré-dégradation des boues brutes durant la phase thermophile (à 55°C), la vitesse de dégradation des boues dans le réacteur mésophile est plus importante par rapport à un système monophasique. De plus, les volumes de réacteurs et les coûts semblent réduits.

Le taux de dégradation de la matière organique est d'environ 50% avec un temps de rétention hydraulique moyen de 15 jours contrairement à un procédé classique de digestion ou celui-ci atteint 20 à 30 jours.

Les expérimentations à l’échelle industrielle confirment un taux de production de biogaz plus important ; le premier étage de digestion thermophile permet de transformer la boue brute en composés plus facilement dégradables pour produire du biogaz dans le deuxième étage de digestion ce qui aboutit ainsi à un procédé plus stable et plus sécurisé.

De nombreuses études ont été réalisées en Allemagne afin d'améliorer le procédé de digestion anaérobie et son application au traitement et à la stabilisation des boues. De toutes les combinaisons possibles, la digestion thermophile avec des temps de rétention hydraulique relativement courts en tant que prétraitement, suivie par une digestion mésophile classique offre le plus d'avantages [12].

2.4.

Comparaison des procédés

2.4.1.

Performances

Les travaux de Pérez-Elvira et al. ont permis de comparer quatre procédés de digestion anaérobie par rapport à une digestion "classique" pour la production de biogaz et les caractéristiques du digestat (déshydratabilité, viscosité, réduction des coliformes) [14].

Les technologies de digestions étudiées sont les suivantes :

- Prétraitement par hydrolyse thermique à 170°C + digestion mésophile : HT + DA,

- Digestion anaérobie thermophile : DA Therm.,

- Deux étages de digestion anaérobie (thermophile puis mésophile) : DA T + M,

- Pré-traitement par ultrasons + digestion mésophile (qui n'est pas étudié ici). Les boues sont en partie constituées de DCO Totale présent sous deux formes :

- La DCO particulaire, - La DCO soluble.

Seul la DCO soluble est utilisé lors de la méthanisation afin de produire du biogaz.

L'étude de Pérez-Elvira et al. [14] a montré que cette DCO soluble passait de 19% de la DCO Totale sur des boues fraîches à 32% de la DCO Totale sur des boues ayant subi un pré-traitement

2. Analyse comparative à partir de la bibliographie

thermique. Lors de ce pré-traitement, les cellules des boues sont en partie rompues, favorisant la libération du contenu intracellulaire dans le milieu extérieur ; le pré-traitement thermique favorise donc la solubilisation du carbone dans les boues.

L'augmentation de la DCO soluble disponible pour les bactéries, après un pré-traitement thermique, va donc augmenter la potentialité de production de biogaz lors de la méthanisation.

La productivité en biogaz par tonne de matière volatile introduite pour la méthanisation après prétraitement thermique des boues est plus importante que la valeur moyenne d'une digestion mésophile classique (Figure 1).

La productivité en biogaz par tonne de matière volatile introduite pour la digestion anaérobie thermophile est égale à celle pour un digesteur mésophile classique. Cette productivité, dans le cas de la digestion diphasique est plus faible que dans le cas de la digestion classique.

0 100 200 300 400 500 600 HT + DA DA Therm DA T + M m L b io g a z / g M V i n tr o d u it e Digesteurs expérimentaux Digesteur mésophile classique

Figure 1 : Comparaison des productivités en biogaz entre les digesteurs expérimentaux (HT + DA = Hydrolyse thermique + digestion anaérobie, DA Therm = Digestion anaérobie thermophile, DA T + M = Digestion anaérobie

diphasique) et un digesteur mésophile classique2 [14]

Le rendement volumique dans les digesteurs expérimentaux est plus important que dans le digesteur mésophile classique (Figure 2).

De plus, la digestion des boues après hydrolyse thermique est clairement plus efficace en termes de production de biogaz.

2. Analyse comparative à partir de la bibliographie 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 HT + DA DA Therm DA T + M L b io g a z / L d ig e s te u r / jo u r Digesteurs expérimentaux Digesteur mésophile classique

Figure 2 : Comparaison du rendement volumique en biogaz entre les digesteurs expérimentaux (HT + DA = Hydrolyse thermique + digestion anaérobie, DA Therm = Digestion anaérobie thermophile, DA T + M = Digestion

anaérobie diphasique) et un digesteur mésophile classique [14]

2.4.2.

Déshydratabilité des boues

L'étude de Pérez-Elvira et al. [14] a également permis d'étudier la capacité de déshydratation des boues sur les mêmes procédés que précédemment :

- Digestion mésophile classique

- Prétraitement par hydrolyse thermique à 170°C + digestion mésophile, - Digestion anaérobie thermophile,

- Digestion anaérobie à deux étages (thermophile puis mésophile).

Les boues ne présentent pas la même aptitude à la déshydratation. En général l'origine des boues, mais aussi la nature des effluents traités interviennent sur cette "déshydratabilité". Ainsi, des boues primaires constituées de matières en suspension facilement décantables, seront plus facilement traitables que des boues biologiques, beaucoup plus colloïdales. Ce caractère colloïdal est d'autant plus renforcé que les eaux à traiter contiennent des matières organiques facilement biodégradables comme par exemple les effluents issus de l'industrie agro-alimentaire [15].

Dans l'étude de Pérez-Elvira et al., les auteurs ont fait le choix de mesurer la "déshydratabilité" des boues par deux tests :

- Test de filtration : calcul d'une constante de filtration (FC) ; le résultat est standardisé en multipliant par la concentration en MS contenues dans les boues : FC*MS.

Plus le produit FC*MS est grand, plus la déshydratabilité des boues est bonne (Figure 3). - Détermination du temps de succion capillaire (CST).

Plus le rapport CST/MS est grand, plus les boues ont une faible déshydratabilité (Figure 4).

Ainsi l'analyse de ces données (Figure 3, Figure 4) tend à montrer que les boues ayant subi un prétraitement thermique avant l'envoi en méthanisation se déshydratent mieux.

De plus, les digestats issus d'une méthanisation thermique ou diphasique présentent une meilleure "déshydratabilité" que les boues issues d'une méthanisation classique.

2. Analyse comparative à partir de la bibliographie

D’après ces résultats, il semblerait que les boues issues des digesteurs expérimentaux se déshydratent plus facilement que des boues classiques ou des boues issues d'une digestion mésophile classique. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 HT + DA DA Therm DA T + M F C *M S Digesteurs expérimentaux Digesteur mésophile classique

Figure 3 : Comparaison de la déshydratabilité des boues entre les digesteurs expérimentaux (HT + DA = Hydrolyse thermique + digestion anaérobie, DA Therm = Digestion anaérobie thermophile, DA T + M = Digestion

anaérobie diphasique) et un digesteur mésophile classique selon le paramètre FC*MS [14]

0 5 10 15 20 25 30 HT + DA DA Therm DA T + M C S T /M S Digesteurs expérimentaux Digesteur mésophile classique

Figure 4 : Comparaison de la déshydratabilité des boues entre les digesteurs expérimentaux (HT + DA = Hydrolyse thermique + digestion anaérobie, DA Therm = Digestion anaérobie thermophile, DA T + M = Digestion

anaérobie diphasique) et un digesteur mésophile classique selon le paramètre CST/MS [14]

2.4.3.

Energie

Puchajda et al [16] ont travaillé sur l'équilibre énergétique de différents systèmes de digestion : - Digestion mésophile classique,

- Digestion thermophile,

2. Analyse comparative à partir de la bibliographie

35°C TRH 20 jours

MV = 40%

Energie thermique récupérée + 42 GJ/jour

Q = 1000 m3_/jour

MS = 3% MV/MS = 0.7

Energie thermique nécessaire - 105 GJ/jour Pertes de chaleur - 16 GJ/jour Energie du biogaz +221 GJ/jour Equilibre énergétique + 142 GJ / jour 55°C TRH 20 jours MV = 50%

Energie thermique récupérée + 76 GJ/jour

Q = 1000 m3/jour

MS = 3% MV/MS = 0.7

Energie thermique nécessaire - 189 GJ/jour Pertes de chaleur - 28 GJ/jour Energie du biogaz +276 GJ/jour Equilibre énergétique + 135 GJ / jour

L'étude des équilibres énergétiques a été réalisée en prenant en considération les demandes énergétiques (énergie nécessaire pour le procédé comme le chauffage et les pertes de chaleur) et les productions énergétiques (énergie associée au méthane contenu dans le biogaz et qui peut être converti en chaleur ou en électricité).

D'un point de vue énergétique, la digestion thermophile (+135 GJ / jour) ne semble pas plus avantageuse que la digestion mésophile classique (+ 142 GJ / jour) (Figure 5 et Figure 6).

La digestion sur deux étages (Figure 7) présente les meilleurs résultats (+ 155 GJ / jour) notamment parce que la chaleur peut être récupérée entre les différents étages de digestion. Cependant, cet équilibre est sensiblement comparable aux valeurs de la digestion mésophile classique et de la digestion thermophile.

Figure 5 : Equilibre énergétique de la digestion mésophile classique

2. Analyse comparative à partir de la bibliographie

Figure 7 : Equilibre énergétique de la digestion diphasique thermophile puis mésophile

2.5.

Principales conclusions portants sur l'analyse bibliographique

En effet, cette technique permet d'améliorer la dégradation des quantités de matières sèches et volatiles détruites par rapport aux autres techniques (mésophile classique, thermophile, diphasique). Ainsi les quantités de boues sortantes seront plus faibles, diminuant ainsi les coûts de traitement et d'élimination à l'aval de la digestion (déshydratation, épandage).

De plus il apparaît que la digestion après hydrolyse thermique permette d'augmenter la productivité en biogaz (en m3 CH4 / tonne de MV introduite) avec un gain d'environ 70% en laboratoire.

Il en est de même pour la digestion thermophile et la digestion diphasique, mais l’amélioration des performances reste plus faible.

En ce qui concerne l'équilibre énergétique des procédés la digestion diphasique est la plus intéressante car la chaleur peut être récupérée entre les deux étages de digestion. Cependant, cet équilibre énergétique reste relativement faible par rapport aux autres procédés considérés (digestion mésophile et digestion thermophile).

L'équilibre énergétique de la digestion après hydrolyse thermique ne présente aucune référence dans la littérature.

55°C TRH 3

jours

Energie thermique récupérée + 86 GJ/jour

Q = 1000 m3/jour

MS = 3% MV/MS = 0.7

Energie thermique nécessaire - 189 GJ/jour Pertes de chaleur - 18 GJ/jour Energie du biogaz +276 GJ/jour Equilibre énergétique + 155 GJ / jour 35°C TRH 17 jours MV =50%

3. Analyse des données de terrain

3.

Analyse des données de terrain

3.1.

Méthodologie générale

Après une analyse bibliographique, l'étape suivante consiste à aborder ces mêmes performances par le biais d’une analyse de données issues des stations de traitement des eaux usées.

Pour ce faire, cinq stations de traitement des eaux usées ont été choisies. Elles sont équipées de technologies différentes de traitement des boues :

- Filière de traitement sans digestion (station de référence), - Digestion mésophile,

- Digestion thermophile3,

- Hydrolyse thermique + digestion mésophile, - Digestion diphasique : thermophile + mésophile.

Les résultats sont anonymes afin de préserver la confidentialité des données sur les stations enquêtées ; le but n'étant pas de comparer des STEU entre elles, mais vraiment les procédés de digestion qu'elles possèdent.

Pour réaliser une étude la plus significative, nous avons choisi de travailler avec des stations les plus comparables possibles en ce qui concerne les paramètres suivants :

- Capacité nominale / réelle de la station, - Traitement de la filière eau de la station, - Type de boues envoyées en digestion, - Type d’épaississement,

- Type de déshydratation.

Tableau 4 : Caractéristiques des stations de traitement des eaux usées enquêtées Sans digestion Digestion mésophile Hydrolyse thermique +

digestion mésophile

Digestion thermophile + digestion mésophile Correspondance dans

l'étude Sans digestion DA méso. HT + DA DA T + M Capacité nominale /

réelle 65 500 / 65 000 75 000 / 65 000 80 000 EH / 50 000 164 167 / 160 800 Filière eau Aération prolongée Aération prolongée Aération prolongée Aération prolongée Type boues - Primaires + Biologiques Biologiques Biologiques Type épaississement Statique Gravitaire + Egouttage Centrifugation Flottation Type déshydratation Centrifugation Centrifugation Centrifugation Centrifugation

3

Les données d'une station thermophile n'ont pas pu être collectées car une seule station avait été identifiée. Celle-ci était en phase de renégociation de son contrat d'affermage et ne disposait donc pas de temps à consacrer à l'étude. Cette technologie a donc été supprimée

3. Analyse des données de terrain

Un recensement des stations présentant des technologies différentes de digestion des boues et possédant des caractéristiques les plus similaires possibles (afin de minimiser le biais expérimental lié aux variations de traitement des eaux et aux variations de traitement des boues) a été réalisé. Cependant, les STEU sélectionnées ne sont pas identiques à 100% car il est impossible de trouver des stations similaires en France (Tableau 4).

Une fois chaque station identifiée, les exploitants et/ou les maitres d'ouvrage ont été contactés. Cette prise de contact avait deux objectifs principaux :

- Identifier des données complémentaires et plus approfondies sur le fonctionnement de la station de traitement des eaux usées, afin de s'assurer au mieux des caractéristiques qui avait été recensées en premier abord,

- Expliquer la démarche aux exploitants et/ou maitres d'ouvrage afin de collecter les données dont ils disposent sur le fonctionnement de la station et des méthaniseurs. L'ensemble des données sont répertoriées dans le paragraphe 3.3 (Les données collectées).

3.2.

Représentation schématique des stations étudiées

3.2.1.

STEU sans digestion

La station de traitement des eaux usées de référence (sans digestion) est une filière relativement classique. Les eaux sont prétraitées puis envoyées dans la filière eau où elles subissent un traitement biologique avant d'être renvoyées dans le milieu naturel.

Les boues formées dans les clarificateurs sont évacuées vers la filière boue constituée d'épaississeurs statiques puis d'une déshydratation par centrifugation et enfin d’un chaulage avant valorisation.

Figure 8 : Synoptique de la station de référence sans digestion

3.2.2.

STEU avec digestion anaérobie mésophile

La station de traitement des eaux usées équipée d'une digestion mésophile classique est équipée d'un système de prétraitement des eaux. Ces eaux sont ensuite envoyées dans un traitement primaire puis secondaire (bassin d'aération et clarificateurs) avant d'être évacuées vers le milieu naturel.

3. Analyse des données de terrain

En parallèle les boues du traitement primaire et secondaire sont évacuées et envoyées dans la filière boue. Les boues primaires sont épaissies via un épaississement gravitaire alors que les boues biologiques sont épaissies par égouttage.

Les deux types de boues sont ensuite mélangés et chauffés à environ 35°C et envoyés dans un digesteur mésophile brassé par bullage du biogaz et recirculation du digestat.

Le biogaz ainsi formé est collecté dans un gazomètre puis 40% sont envoyés dans une chaudière afin d'être valorisés en chaleur réutilisée pour chauffer les boues. Les 60% restants sont brûlés en torchère.

Le digestat sortant de la méthanisation est ensuite envoyé en centrifugation puis stocké en silo avant d'être valorisé par compostage.

Figure 9 : Synoptique de la station avec digestion anaérobie mésophile

3.2.3.

STEU avec hydrolyse thermique et digestion anaérobie

La station de traitement des eaux usées équipée d'un système de prétraitement par hydrolyse thermique en amont du procédé de digestion présente également une filière eau classique. Les effluents sont d'abord prétraités puis envoyés dans des bassins d'aération et clarificateurs avant d'être évacués vers le milieu naturel.

Les boues collectées dans les clarificateurs sont épaissies par centrifugation et sont envoyées en hydrolyse thermique. Lors de cette phase, elles sont chauffées à environ 170°C sous une pression de 10 à 15 bars pendant 40 à 60 minutes. Une fois cette opération effectuée, les boues sont refroidies à partir d'un système eau/boues et envoyées en digestion mésophile (à une température de l’ordre de 37°C).

Le biogaz ainsi formé est collecté dans un gazomètre puis 88% sont envoyés en chaudière afin d'être valorisés en chaleur pour l'hydrolyse thermique, les 12% restants sont brûlés en torchère.

3. Analyse des données de terrain

Figure 10 : Synoptique de la station avec prétraitement par hydrolyse thermique des boues avant la digestion mésophile

3.2.4.

STEU avec digestion anaérobie diphasique

La station de traitement des eaux usées équipée d'un système diphasique de digestion des boues (thermophile + mésophile) comporte un prétraitement des effluents suivi d'un traitement biologique (bassin d'aération + clarificateur) et un traitement tertiaire.

Les boues collectées dans les clarificateurs sont envoyées dans des flottateurs afin d'être épaissies. Le système de digestion diphasique est constitué d'un premier réacteur thermophile dans lequel les boues sont introduites. Dans le cas de cette technologie, le système de chauffage des boues est identique à celui des digesteurs mésophiles, mais les boues atteignent 55°C. Les digestats du réacteur thermophile sont ensuite réparties dans deux digesteurs mésophiles à 37°C.

Le biogaz produit est stocké dans un gazostockeur puis valorisé en chaudière afin de chauffer les boues envoyées dans le digesteur thermophile.

Les digestats sont ensuite centrifugés puis stockés avant d'être valorisés en compostage.

3. Analyse des données de terrain

3.3.

Les données collectées

Différentes informations ont été recueillies auprès de chaque station de traitement des eaux usées contactée, (Tableau 5) :

- Données portant sur l'épaississement, - Données portant sur la digestion, - Données portant sur la déshydratation, - Données portant sur le biogaz,

- Données portant sur les effluents entrants et sortants de stations, - Données énergétiques,

- Données coûts.

Tableau 5 : Informations recueillies auprès des stations de traitement des eaux usées étudiées

Données portant sur l'épaississement Volume de boues par jour

Consommation électrique Siccité boues entrantes Siccité boues sortantes Consommation en polymère

Données portant sur la digestion Température

AGV – TAC – pH

Volume boues introduit par jour Quantité MS entrée digestion Quantité MV entrée digestion Quantité MS sortie digestion Quantité MV sortie digestion Siccité boues entrée digestion Siccité boues sortie digestion

Données portant sur la déshydratation Temps de marche des centrifugeuses

Volume de boues par jour Consommation électrique Siccité boues entrantes Siccité boues sortantes Consommation en polymères

Données portant sur le biogaz Quantité de biogaz produit

Quantité de biogaz brulé en torchère Temps de fonctionnement de la torchère

Données portant sur les effluents entrants et sortants des stations DBO5 – DCO – MES – NTK – NH4 – PT

Données énergétiques

Consommation énergétique en fonction des données disponibles sur la station Données coûts

Coût initial

3. Analyse des données de terrain

Cependant, les données renseignées par les stations sont variables d'une installation à l'autre, à la fois d'un point de vue quantitatif que qualitatif.

Sur chaque station de traitement des eaux usées, les paramètres portant sur le fonctionnement de la station ne présentent pas le même degré de précision. Sur une station ayant un procédé novateur, comme celle avec pré-traitement thermique des boues, un suivi très régulier est réalisé avec des analyses tous les jours. Le nombre de données disponibles est donc important.

En revanche sur d'autres stations, certaines mesures ne sont réalisées qu'une fois par mois, limitant ainsi le nombre de données utilisables.

L'hétérogénéité dans le nombre de données disponibles sur chaque station a donc compliqué la réalisation du test statistique, car chaque test présente des conditions d'applications bien particulières. De ce fait la comparaison des installations de méthanisation s'est avérée complexe.

3.4.

Les paramètres de performances étudiés

En général, sur une station de traitement des eaux usées, l'efficacité de la méthanisation peut être définie à partir de plusieurs paramètres :

- Le Temps de Rétention Hydraulique (TRH, jours) : Il correspond au ratio du volume utile du digesteur sur le volume de boues introduites par jour. Il est donc directement dépendant du dimensionnement du digesteur et permet de définir si celui-ci a été correctement dimensionné. Dans le cas d'une digestion mésophile, le TRH moyen est d'environ 20 jours et d'environ 15 jours dans le cas d'une digestion thermophile.

- L'abattement en matières sèches et en matières volatiles (%MS et %MV) : Ce paramètre permet de calculer la proportion de MS et de MV qui a été dégradée lors du passage dans le méthaniseur.

- La charge volumique du digesteur (kg MV / m3 réacteur / jour) : Elle indique la charge nominale que peut accepter un digesteur pour un rendement de dégradation donné.

- La productivité en biogaz en m3 / tMV détruite : Elle est en général dépendante de la nature des déchets et des boues digérées. En moyenne pour les boues issues du traitement des eaux usées elle est de 550m3 / tMV détruite.

- La productivité en biogaz en m3 / tMV introduite : Ce paramètre a été calculé en complément du précédent car il est souvent retrouvé dans les différentes publications étudiées. Il permet ainsi une comparaison directe entre les résultats issus de la bibliographie, et les résultats obtenus lors de l'étude de terrain.

- Le rendement volumique en biogaz (m3 biogaz / m3 digesteur / j) : Il permet de mesurer la production de biogaz en prenant en considération la nature du substrat et la technologie de digestion.

Parmi les autres paramètres à prendre en compte, les deux suivants ont retenu notre attention : - La déshydratabilité des boues après digestion afin de définir si les boues sont plus facilement

déshydratables ou non,

- La caractérisation des intrants du méthaniseur : En effet, les boues peuvent être composées d'agents inhibiteurs ou de fibres qui risquent d'altérer la qualité de la digestion et donc ses performances.

Cependant, au cours de cette étude qui se base uniquement sur des données existantes de stations de traitement des eaux usées ces paramètres ne peuvent pas être étudiés car ils ne font pas l'objet d'un suivi régulier.

3. Analyse des données de terrain

3.5.

Choix de l'analyse statistique réalisée

Le but de l'étude est de déterminer si les paramètres de fonctionnement et de performances sont comparables entre les différentes technologies de méthanisation. Pour cela, on va comparer les fonctions de répartition de chaque paramètre entre les différentes STEU afin d'identifier si elles sont semblables ou non.

La normalité de la dispersion des résultats d'une étude statistique conditionne le choix du test statistique. Ici, les données collectées auprès de chaque station et pour chaque paramètre ne suivent pas une loi normale, de ce fait, les paramètres seront comparés à l'aide d'un test non paramétrique. Chaque station de traitement des eaux usées peut être assimilée à une population dans laquelle des échantillons indépendants auraient été prélevés et le test de Kolmogorov-Smirnov est celui se rapprochant le plus de ces conditions d'application.

Ce test permet de comparer les fonctions de répartition entre deux populations afin de définir si celles-ci sont identiques.

Le test bilatéral de Kolmogorov-Smirnov est réalisé sur les conditions suivantes : - H0 : Il n'y a pas de différences entre les 2 populations pour ce paramètre, - H1 : Les 2 populations sont différentes.

Pour la réalisation du test de Kolmogorov-Smirnov, l'ensemble des échantillons de chaque station de traitement des eaux usées a été utilisé. Le calcul des p-value a été réalisé à partir du logiciel R permettant d'émettre les principales conclusions.

L'interprétation des résultats se fait de la manière suivante :

Pour chaque couple de station de traitement des eaux usées une p-value est calculée :

Si la p-value calculée est inférieure à 0,05, alors cela signifie que les deux stations ont une répartition de leur paramètre de fonctionnement ou de performance différente.

En revanche, si cette p-value est supérieure à 0,05, alors le paramètre étudié est considéré comme étant identique entre les deux technologies.

Ainsi, que les valeurs soient du même ordre de grandeur ou non, n'a aucune influence sur la conclusion finale. Seule la valeur de la p-value (inférieure ou supérieure à 0,05) importe.

Ainsi, ce test permet de déterminer si les variations des paramètres de performances sont équivalentes entre les différentes stations.

Si les variations sont différentes, alors l’analyse des résultats (du Graphique 6 au Graphique 11) va permettre d'identifier quels sont les technologies les plus performantes.

4. Résultats et interprétation

4.

Résultats et interprétation

4.1.

Les données de fonctionnement et de performances des

digesteurs

4.1.1.

Graphiques des moyennes calculées sur chaque installation

Les graphiques présentés ici illustrent les moyennes et les écarts-types calculés pour chaque paramètre (TRH, Abattement des MS et MV, Charge des digesteurs, Productivité en biogaz par tonne de MV détruite, Productivité en biogaz par tonne de MV introduite, Rendement volumique en biogaz) sur chaque station de traitement des eaux usées.

Un échantillon correspond à une mesure d'un paramètre donné à une date donnée. Ainsi, en fonction de la STEU, il peut y avoir un échantillon par mois, un par semaine, etc. Ainsi, le nombre total d'échantillons collectés par STEU est variable :

- DA T + M : 10 échantillons, - DA méso. : 32 échantillons, - HT + DA méso. : 53 échantillons. 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 DA T + M DA méso. HT + DA méso. 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 DA T + M DA méso. HT + DA méso. AbtMS AbtMV

Graphique 6 : TRH (j) Graphique 7 : Abattement des matières sèches et matières volatiles (%) 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 DA T + M DA méso. HT + DA méso. 0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00 1400.00 1600.00 1800.00 DA T + M DA méso. HT + DA méso.

Graphique 8 : Charge des digesteurs (kg MV / m3 réacteur / jour)

Graphique 9 : Productivité en biogaz par tonne de MV détruite (m3 / tMV détruite)

4. Résultats et interprétation 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 DA T + M DA méso. HT + DA méso. 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 DA T + M DA méso. HT + DA méso.

Graphique 10 : Productivité en biogaz par tonne de MV introduite (m3 / tMV détruite)

Graphique 11 : Rendement volumique en biogaz (m3 biogaz / m3 digesteur / j)

Figure 12 : Résultats de l'analyse statistique

4.1.2.

Analyse des données statistiques

Les résultats du test de Kolmogorov-Smirnov sont donnés dans le Tableau 6.

Tableau 6 : Résultats du test de Kolmogorov-Smirnov

DA T + M DA méso. DA T + M HT + DA méso. HT + DA méso. DA méso. TRH p-value 0,030 1,3.10-5 1,7.10-5

Conclusion Les TRH sont différents Les TRH sont différents Les TRH sont différents Abattement MS p-value 0,001 9,9.10-8 0,0001

Conclusion Les abattements en MS sont différents Les abattements en MS sont différents Les abattements en MS sont différents Abattement MV p-value 1,7.10-5 9,9.10-8 0,005

Conclusion Les abattements en MV sont différents Les abattements en MV sont différents Les abattements en MV sont différents Charge MV p-value 0,012 1.9.10-7 3,2.10-15 Conclusion Les charges en matières volatiles dans les digesteurs sont différentes

Les charges en matières volatiles dans les digesteurs sont différentes

Les charges en matières volatiles dans les digesteurs sont différentes Productivité / t MV détruite p-value 0,005 2,4.10-6 0,007 Conclusion Les productivités en biogaz sont différentes Les productivités en biogaz sont différentes Les productivités en biogaz sont différentes Productivité / t MV introduite p-value 0,86 0,17 0,17 Conclusion Les productivités en biogaz sont identiques Les productivités en biogaz sont identiques Les productivités en biogaz sont identiques Rendement volumique p-value 0,49 1,1.10-6 1,9.10-14 Conclusion Les rendements volumiques sont identiques Les rendements volumiques sont différents Les rendements volumiques sont différents

4. Résultats et interprétation

L'étude des temps de rétention hydraulique sur les trois méthaniseurs, permet de conclure que quel que soit le couple de stations considérées (DA T + M / DA méso., DA T + M / HT + DA méso., HT + DA méso. / DA méso.), les TRH sont différents.

De plus, l'analyse du Graphique 6 (page 21) permet de conclure que :

TRH HT + DA méso. > TRH DA méso. > TRH DA T + M.

Les abattements en matières sèches lors de la digestion sont tous différents d'une technologie à l'autre.

Le Graphique 7 (page 21) permet de conclure que :

Abattement MS HT + DA méso. > Abattement MS DA méso. > Abattement MS DA T + M

L'abattement en matières volatiles, suit la même évolution que les abattements en matières sèches : les abattements sont tous différents entre les différents méthaniseurs.

L'étude du Graphique 7 (page 21) permet alors de conclure que :

Abattement MV HT + DA méso. > Abattement MV DA méso. > Abattement MV DA T + M

La station DA T + M présente un taux d'abattement de ses matières volatiles bien plus faible que sur les deux autres stations (Graphique 7).

L'origine de ce taux d'abattement relativement faible est inconnue, cependant l'hypothèse suivante peut être émise : la méthanisation ne présente pas un comportement optimal car elle est altérée par des substances inhibitrices. Cependant, cette hypothèse, sans avoir été confirmée, ne peut être validée.

Il est logique que les abattements en matières volatiles suivent la même évolution que les abattements en matières sèches. En effet, dans les boues, les matières volatiles constituent la matière organique des matières sèches. Or dans la méthanisation ce sont les matières organiques qui sont principalement dégradées pour produire du biogaz. Ainsi quand les matières volatiles diminuent dans les boues, les matières sèches diminuent également.

L'étude des charges en matières volatiles des digesteurs montre que celles-ci sont toutes différentes d'une technologie à l'autre.

Le Graphique 8 permet de conclure les tendances suivantes : le digesteur mésophile classique est celui qui accepte la plus faible charge en MV (0,98 kgMV /m3 réacteur / j) et le digesteur après prétraitement thermique, celui qui accepte la plus forte charge (2,48 kgMV / m3 réacteur / j, soit près de 2,5 fois supérieure à la charge DA méso.). Quant au digesteur de la station DA T + M, il semble accepter une charge intermédiaire (1,14 kgMV / m3 réacteur / j).

Charge MV HT + DA méso. > Charge MV DA T + M > Charge MV DA méso.

La productivité en biogaz par tonne de matière volatile détruite est un des paramètres les plus intéressants à étudier lors de la méthanisation. Il permet de mesurer la quantité de biogaz produite par tonne de matière volatile détruite, et donc de juger de la performance de la digestion sur des substrats comparables.

Toutes les productivités en biogaz par tonne de matière volatile sont différentes et suivent l'évolution suivante :

4. Résultats et interprétation

Productivité / tMVd DA T + M > Productivité / tMVd DA méso. > Productivité / tMVd HT + DA méso.

En moyenne, la digestion diphasique permet d'obtenir une productivité en biogaz plus importante (1224 Nm3 biogaz / tMV détruite) que sur les autres technologies (Graphique 9 page 21).

L'analyse de la productivité en biogaz par tonne de matière volatile introduite dans le digesteur permet de conclure que toutes les installations ont une productivité quasi identique.

Productivité / tMVi DA T + M = Productivité / tMVi DA méso. = Productivité / tMVi HT + DA méso.

De ce fait, quel que soit le type de méthanisation des boues, il semblerait que le biogaz produit pour une tonne de matière volatile introduite dans le digesteur soit de volume constant.

Les rendements volumiques en biogaz sont identiques entre les stations DA T + M et DA méso.

En revanche sur la station HT + DA méso., ce rendement volumique est beaucoup plus important avec une valeur moyenne de 0,82 m3 de biogaz / m3 digesteur / j.

Rendement volumique HT + DA méso. > Rendement volumique DA T + M = Rendement volumique DA méso.

Ceci s'explique par le fait que le digesteur après prétraitement thermique fonctionne avec des boues d'une siccité moyenne de 14% contre 3 à 4% sur les boues des stations DA méso. et DA T + M.

Les boues, plus concentrées, occupent un volume plus faible pour une même quantité de MS dans le cas du pré-traitement thermique. Ainsi, entre un réacteur classique et un réacteur après hydrolyse thermique, et afin d'accueillir une même quantité quotidienne de boues, le réacteur après hydrolyse thermique sera moins important en termes de volume.

Le biogaz produit ramené au m3 de réacteur sera donc plus faible sur une station comme HT + DA méso.

4.1.3.

Principales conclusions sur l'analyse des données de terrain

Les différents paramètres étudiés ne présentent pas la même importance dans l'étude des performances des différents types de méthanisation des boues.

En effet, les TRH et les charges en matières volatiles correspondent principalement à des paramètres de bon fonctionnement des digesteurs et sont spécifiques à chaque type d'installation.

Dans le cas des TRH, ils sont en moyenne de :

- 28 jours dans le cas d'une digestion mésophile classique, - 40 jours dans le cas d'une digestion après hydrolyse thermique, - 26 jours dans le cas d'une digestion diphasique.

En ce qui concerne les charges en matières volatiles des digesteurs, elles sont en moyenne de : - 1 kg MV / m3 réacteur / jour dans le cas d'une digestion mésophile classique,

- 2,5 kg MV / m3 réacteur / jour dans le cas d'une digestion après hydrolyse thermique, - 1,2 kg MV / m3 réacteur / jour dans le cas d'une digestion diphasique.

4. Résultats et interprétation

Les paramètres de performances les plus intéressants à étudier sont les suivants : abattements en matières sèches et matières volatiles et productions en biogaz (productivités, rendements volumiques).

Les abattements en matières sèches et matières volatiles permettent de réduire les quantités finales de boues à évacuer par les stations de traitement des eaux usées. Ainsi, les coûts d'élimination sont amoindris.

Une installation avec prétraitement thermique des boues présente un avantage certain par rapport à la station DA T + M, car ses abattements en matières sèches et en matières volatiles sont près de deux fois plus élevés.

L'étude des productivités en biogaz dissocie deux types de productivités : les productivités par tonne de matières volatiles détruites et les productivités par tonne de matières volatiles introduites dans le digesteur.

Dans les résultats présentés dans cette étude, les trois installations dégradent approximativement les mêmes quantités de matières volatiles :

- 1 633 tonnes pour DA T + M, - 1 341 tonnes pour DA méso. - 1 357 tonnes pour HT + DA méso.

Cependant, si on regarde la production en biogaz par tonne de matière volatile détruite, celle-ci varie du simple au double entre HT + DA méso. / DA méso. (777 et 862 Nm3 / jour) et DA T + M (1600 Nm3 / jour).

Ces résultats sont paradoxaux car en théorie un déchet présente un pouvoir méthanogène sensiblement comparable entre différentes installations. Or ici la variation est très importante. Celle-ci pourrait être expliquée par plusieurs hypothèses :

- Le capteur des volumes de biogaz sur la station DA T + M fonctionne mal, produisant ainsi des mesures de volumes également erronées.

- Les boues envoyées en digestion à la station DA T + M ne présentent pas la même composition que les boues DA méso. et HT + DA méso. Potentiellement elles peuvent être plus chargées en graisses qui ont un pouvoir méthanogène plus important que les boues seules. Cependant, étant donné qu'il n'y a pas d'analyses complètes réalisées sur les compositions des boues envoyées en digestion, il est impossible de confirmer cette hypothèse. La seule information disponible porte sur les acides gras volatiles contenus dans les boues.

En ce qui concerne DA T + M, ses AGV sont en moyenne de 800mg/L en entrée de digestion, contre 310 mg/L pour DA méso. et 2 200 mg/L pour HT + DA méso.

Les boues de la station HT + DA méso. sont près de trois fois plus riches en acides gras volatiles mais produisent deux fois moins de biogaz. Il aurait été intéressant de posséder les valeurs de pH pour déterminer si le digesteur est dans une plage de fonctionnement optimale (une trop rapide dégradation des graisses peut entraîner une acidification du milieu qui inhibe la méthanogénèse).

De ce fait, l'étude de la productivité par tonne de matière volatile est un paramètre qui n'est pas significatif dans le cadre de cette étude, il faudrait disposer de données fiables.

La productivité en biogaz par tonne de matière volatile introduite dans le digesteur semble être du même ordre de grandeur, quelle que soit la technologie de digestion des boues employée. Ainsi, les quantités de biogaz produit pour une tonne de matière volatile introduite dans le digesteur sont équivalentes et ce, quelle que soit l'installation considérée.

4. Résultats et interprétation

Le rendement volumique en biogaz permet de quantifier la production de biogaz pour 1m3 de digesteur. L'installation avec prétraitement des boues (HT + DA méso.) est plus efficace car elle présente une charge en matières volatiles plus importante, pour 1m3 de digesteur elle produit 2 fois plus de biogaz que dans les installations DA T + M et DA méso.

Ce type d'installation est donc très intéressant car il permet de réduire la taille du génie civil du réacteur tout en produisant une quantité similaire de biogaz pour une tonne de MV introduite dans le digesteur.

4.2.

Les données de consommations en polymères lors de la

déshydratation

Les consommations moyennes en polymères utilisés pour la déshydratation des boues ont été collectées auprès :

- Des trois stations de traitement des eaux usées étudiées, - De la station de référence sans digestion des boues.

Les données sont répertoriées dans le Tableau 7. La consommation en polymères sur l'installation classique de traitement des eaux usées est en moyenne 2,5 fois plus importante que sur les trois installations équipées de méthaniseurs.

D'autre part, les consommations en polymère sont équivalentes entre les trois installations équipées de digestion anaérobie.

Ainsi, il semblerait que la digestion des boues favorise leur déshydratabilité et donc limite les consommations en polymère lors de l'étape de déshydratation.

Tableau 7 : Consommations en polymère lors de l'étape de déshydratation sur les différentes stations de traitement des eaux usées

Type de station de traitement des eaux usées Consommations en polymère (kg polymère / t MS)

Classique 17,5

Digestion anaérobie mésophile 6

Hydrolyse thermique + Digestion anaérobie mésophile 8 Digestion thermophile + Digestion mésophile 8

4.3.

Les données d'énergie et de coûts

Les données de consommation énergétique des différentes installations ne sont pas exploitables. Les stations de traitement des eaux usées sont rarement équipées de compteurs énergétiques sur les différents postes de la STEU, mais possèdent en général un compteur global pour la totalité de la station. De ce fait, les consommations énergétiques mesurées correspondent aux consommations globales de toute l'installation (aussi bien prétraitements, filière eau, filière boues, recirculations, …). Ces données ne peuvent donc pas être comparées entre elles car bien que les stations aient été choisies de sorte à avoir des caractéristiques les plus similaires possibles sur leurs filières boues, les prétraitements, les filières eaux, les volumes traités sont inévitablement différents.

Il serait donc souhaitable d'installer des compteurs énergétiques spécifiques pour les filières boues sur chaque STEU étudiée.

Sur le plan technique, le biogaz produit dans les unités de méthanisation peut être valorisé selon deux voies : la valorisation thermique et/ou la valorisation électrique.

Les trois stations de traitement des eaux usées étudiées dans ce rapport présentent toutes une voie de valorisation thermique du biogaz.

Excepté pour la station HT + DA méso., les installations ne sont pas en mesure de fournir la quantité d'énergie thermique produite à partir de la valorisation du biogaz.

4. Résultats et interprétation

Parallèlement, les données de coûts initiaux et d'exploitation sont difficilement collectables auprès des stations de traitement des eaux usées.

En effet, le coût initial des installations est souvent chiffré pour la totalité de la construction de la station de traitement des eaux usées. Ainsi, comme pour les données énergétiques, ces coûts initiaux prennent en considération la totalité de l'installation, et non pas seulement la filière boue : ils ne sont donc pas comparables entre eux.

De plus ces données sont souvent difficiles à collecter auprès des exploitants ou des maîtres d'ouvrage des STEU. Ainsi, les données de coûts d'exploitation n'ont pas été recensées auprès des stations de traitement des eaux usées.

Néanmoins, la station équipée d'une hydrolyse thermique avant la digestion anaérobie a indiqué la variation de ses coûts de transport et d'élimination des boues avant et après la mise en place de cette nouvelle filière.

Auparavant le transport et l'élimination des boues étaient assurés pour un coût de 530 000€. Avec la digestion après hydrolyse thermique, ces coûts ne sont plus que de 130 000€.

Cette différence est expliquée par le fait qu'entre les deux filières (ancienne / nouvelle), les quantités de boues à évacuer par la station ont été divisées par deux.