Vers une gestion optimale et fiable des procédés continus de digestion en voie sèche : acquis et questions en suspens

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Vers une gestion optimale et fiable des procédés continus de digestion en voie sèche : acquis et questions en

suspens

Sébastien Pommier, Renaud Escudié, Pierre Buﬀiere

To cite this version:

Sébastien Pommier, Renaud Escudié, Pierre Buﬀiere. Vers une gestion optimale et fiable des procédés continus de digestion en voie sèche : acquis et questions en suspens. Journées Recherche et Indus- trie Biogaz méthanisation, Institut National de Recherche Agronomique (INRA). UR Laboratoire de Biotechnologie de l’Environnement (0050)., Oct 2013, Narbonne, France. �hal-01595628�

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Journées Recherche et Industrie biogaz méthanisation

16-17-18 octobre 2013

Palais des Archevêques de Narbonne

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Vers une gestion optimale et fiable des

procédés continus de digestion en voie sèche acquis et questions en suspens

JRI Biogaz méthanisation de Narbonne

16-18 octobre 2013 2

Sébastien POMMIER, LISBP, INSA Toulouse

Renaud Escudié, LBE, INRA Narbonne

Pierre Buffière, LGCIE, INSA de Lyon

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Pourquoi la digestion « sèche »

• Gisement global Français

– 47 Mt de DMA (2 Mt traités par méthanisation)

– 300 Mt de déchets agricoles (dont 150

« récupérables »)

– 60 % sous forme épaisse (Fumiers)

16-18 octobre 2013 3

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Mélange

STOCKAGE / DECANTATION

PRESSES

DIGESTAT SOLIDE

DIGESTEUR

DECHET

Inoculation

EAU

PURGE DIGESTAT LIQUIDE

DILUTION +

Inoculation

Schéma general de fonctionnement

des digesteurs voie sèche continue

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Technologies en continu

16-18 octobre 2013 5

OWS / Dranco (20-40% MS)

OGIN (20-35% MS)

SRATBAG – Linde (15-45% MS) KOMPOGAS (20-30% MS)

VALORGA (25-35% MS)

(7)

Des interactions clés entre physique et biologie

16-18 octobre 2013 6

Physique Biologie

Consistance, rhéologie, pompage

Mélange et sédimentation

Etats de l’eau

Transport substrats vers microorganismes Convection ↔ mélange,

Diffusion ↔ rhéologie

Inhibitions

(accumulations locales AGV, H2, …)

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Caractérisation rhéologique des digestats

Procédure proposée par Battistoni

(Battistoni et al., 1993, 1997, 2000)

 Complexité des déchets solides

- Milieux hétérogènes (volume de l’échantillon important) - Taille des particles importante ( > cm)

Rhéomètres conventionels pas utilisables !

- tamisage pour sélectionner la fraction fine (<0.84mm) - Utilisation d’un rhéomètre conventionnel commercial

Analyse des boues et de digestats solide (60% MS< fraction fine < 80% TS) - Milieu plastique (Bingham model)

- Fluide à seuil de contrainte (

_c

)

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16-18 octobre 2013 8

Chambre de remplissage Capteur

de déplacement

Couvercle

Test d’effondrement (Slump test)

0 4 8 12 16

0 1500 3000 4500 6000 7500

Temps (s)

Hauteur de l'amas (cm)

Hauteur finale d’effondrement

=> seuil de contrainte (_c)

 















 



 









c

c g H m R

g R

H m

s 







 2 1 ln 2 ₀ ²

2 0

(10)

16-18 octobre 2013 9

0 200 400 600 800 1000

16% 18% 20% 22% 24% 26%

Total Solids (%)

Yi e ld s tr e s s (Pa )

F

E

C

B

A D

Seuil de contrainte de digestats secs

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16-18 octobre 2013 10

Influence du taux de MS

100 1000 10000

15% 20% 25% 30% 35% 40%

Total Solids

Y ie ld s tr e s s ( P a )

Sample A Sample D

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16-18 octobre 2013 11

Mélange des solides dans les réacteurs secs

Injection d’un traceur (m₀)

 Caractérisation du mélange par la technique de DTS

Réacteur continu

Polypropylene d = 8 mm ρs = 0.95 kg.L^-1

Verre d = 8 mm ρs = 2.5 kg.L^-1

Polyamide d= 8 mm ρs= 1.14 kg.L^-1

Bioflow 9 ^® d  10 mm ρs  1 kg.L^-1

 Injection de 500 particules

 Détection manuelle

Traceurs solides

(13)

16-18 octobre 2013 12

Dispositif de laboratoire

Déchets solides Alimentation journalière

Réacteur

Volume = 43 L T = 35°C TSH ()  21 d

recirculation

4 conditions opératoires

- FFOM à 22%, 26% and 30% TS - DV à 23% TS

digestat

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16-18 octobre 2013 13

Macro-mélange des solides

FFOM, 22% TS

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Cumulated number of particules

Dimensionless time ()

Polypropylene Bioflow 9 Polyamide Glass

Ségrég ation

Décantation des particules en fonction de la densité

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16-18 octobre 2013 14

Macro-mélange des solides

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Cumulated number of particules

Dimensionless time ()

Polypropylene Bioflow 9 Polyamide Glass

FFOM, 30% TS

Effet de la siccité sur la décantation

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16-18 octobre 2013 15

Rôle du seuil de contrainte sur le potentiel de sédimentation

Tableau au graphe sur ce

point.

(17)

Des interactions clés entre physique et biologie

16-18 octobre 2013 16

Physique Biologie

Consistance, rhéologie, pompage

Mélange et sédimentation

Etats de l’eau

Transport substrats vers microorganismes Convection ↔ mélange,

Diffusion ↔ rhéologie

Inhibitions

(accumulations locales AGV, H2, …)

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16-18 octobre 2013 17

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 8 11 15 18.9 25

%Solide % eau capill % eau libre

Ratio eau libre / eau « capillaire » déterminé par thermogravimétrie (courbe de séchage),

d’après Garcia-Bernet et coll., 2011., Chem. Eng. J., 72, 924-928.

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16-18 octobre 2013 18

Biogaz

Recirculation Biogaz

Biogaz

Influence de la teneur en eau

sur les performances de digestion en continu

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16-18 octobre 2013 19

Influence de la teneur en eau

sur les performances de digestion en continu

INSA LYON INRA NARBONNE

OMR Biodéchets

Teneur en eau Proportion de

déchets verts

22% MS 26% MS 30% MS Hiver Eté

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16-18 octobre 2013 20

Influence de la teneur en eau

sur les performances de digestion en continu

R2 MS 26%

185 120

2,4 2,1

R1 MS 22%

R3 MS 30%

200 m

³_biogaz

/m

³_réacteur

.j 2,2

m

³_méthane

/t

MV introduite

CH

₄

% 53 56 48

Rendement BMP, % 79 75 48 2,9

180 50 71

2,9 hiver MS 23%

171 2,7 été MS 23%

177 52 53

77 79

(22)

Mélange

STOCKAGE / DECANTATION

PRESSES

DIGESTAT SOLIDE

DIGESTEUR

DECHET

Inoculation

EAU

PURGE DIGESTAT LIQUIDE

DILUTION +

Inoculation

STABILITE BIOLOGIQUE des digesteurs voie sèche continue

Inertie du système

Régimes d’inhibition

2 points essentiels :

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Temps de séjour du solide Temps de séjour du liquide Temps d’équilibre

40 jours

240 jours

1000 jours

INERTIE du système : 1/ Recirculation du surnageant de digestat

Découplage des temps de séjour

(24)

CSTR ou PISTON ? INERTIE du système : 2/ Réacteur piston

Perturbations étalées sur le temps de séjour du solide

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Sensibilité aux INHIBITIONS : 1/ Spécificités

pH : très alcalin (>8)

Recirculation Forte siccité

Concentrations élevées

N ammoniacal Sels (K

⁺

, …)

NH

₃

AGVs

Hétérogénéité

Temps de séjours longs

Grandes capacités d’adaptation

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Recirculation  Eau = 0

Rendement en biogaz constant

Charge 

Sensibilité aux INHIBITIONS : 2/ Exemple : système Kompogas sur OMR

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