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N° d’ordre Année 2008 Thèse Dégradation anaérobie de déchets solides : caractér

N° d’ordre Année 2008 Thèse Dégradation anaérobie de déchets solides : caractérisation, facteurs d’influence et modélisations présentée devant L’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON pour obtenir le grade de docteur Formation doctorale : Sciences de l’Environnement Industriel et Urbain École doctorale : École doctorale de Chimie de Lyon Par Maxime Rouez Soutenance le 29 Septembre 2008 devant la Commission d’examen Jury Directeur R. BAYARD Maître de Conférence (LGCIE, INSA Lyon) Examinateur T. BOUCHEZ Chargé de recherche (Cemagref, Antony) Président P. BUFFIERE Professeur (LGCIE, INSA Lyon) Directeur R. GOURDON Directeur de recherche (LGCIE, INSA Lyon) Rapporteur A. PAUSS Professeur (Université Technique de Compiègne) Rapporteur F. POLANCO Professeur (Université de Valladolid, Espagne) Membre Invité : D. BLANC (Maître de Conférence, LGCIE, INSA Lyon) Laboratoire de recherche : Laboratoire de Génie Civil et d’Ingénierie Environnementale Site Carnot (ex LAEPSI) Thèse M. Rouez – 2008 - 4 - LGCIE, INSA Lyon Résumé La caractérisation des phénomènes de biodégradation des déchets ménagers et assimilés (DMA), la compréhension des facteurs qui influencent ces phénomènes et la prévision du comportement des DMA en conditions anaérobies sont des enjeux importants pour la bonne gestion de ces déchets organiques. Cette étude a permis d’explorer ces trois thématiques par la mise en œuvre de tests anaérobies contrôlés sur DMA et fractions de DMA. Les résultats obtenus montrent que pour les différents déchets et fractions étudiés, la biodégradabilité anaérobie est bien corrélée avec la biodégradabilité aérobie, mais difficilement corrélable avec les caractérisations chimiques qui se sont révélées insuffisantes. L’étude expérimentale a révélé la difficulté de réalisation d’un test de Potentiel Bio Méthanogène (PBM) optimisé, d’un point de vue cinétique notamment. La quantité de matière organique dégradable et disponible vis-à-vis de l’activité bactérienne au sein du test s’avèrent être des facteurs importants et délicats à maîtriser. Par ailleurs, des essais spécifiques ont confirmé les connaissances actuelles sur l’influence de quelques facteurs tels que la granulométrie et la teneur en eau. Une démarche de complexification successive d’un modèle a été mise en œuvre en se restreignant aux expériences menées au laboratoire. Au-delà de la difficulté d’intégrer les facteurs d’influence dans un formalisme commun, un modèle suffisant a pu être identifié pour chaque condition opératoire. Mots-clés: déchets ménagers et assimilés, caractérisations, biodégradabilité, potentiel méthanogène, biogaz, modélisations Solid waste anaerobic degradation: characterisation, influence factors and modelings Abstract Characterisation of municipal solid waste (MSW) biodegradation phenomena, understanding of factors influencing those phenomena and prediction of MSW behaviour under anaerobic conditions are important issues for an efficient MSW management. This study explored those three thematics by means of controlled anaerobic tests performed with MSW and fractions of MSW. The obtained results showed that, for the different studied wastes, anaerobic biodegradability is well correlated with aerobic biodegradability, but weakly correlated with chemical characterisation, which remained unsufficient. The experimental study demonstrated the difficulty in performing an optimised Biochemical Methane Potential (BMP) test, particularly from a kinetic point of view. Degradable and available organic matter quantity with regard to the bacterial activity within the test are important factors, whose control remained fussy. Also, specific trials confirmed the actual knowledge on factors affecting the biogas production, such as particle size and water content. A modeling approach of increasing complexity was implemented to represent some of the laboratory scale experiments. Beyond the difficulty to integrate all studied influence factors, a sufficient model has been identified for each specific conditions. Key words: Municipal solid wastes, characterisations, biodegradability, methane potential, biogas, modelings Thèse M. Rouez – 2008 - 5 - LGCIE, INSA Lyon Ces travaux ont fait l’objet de : Publications avec comité de lecture Bayard, R., de Brauer, C., Ducom, G., Naquin, P., Sarrazin, B., Achour, F., Rouez, M. & de Araujo Morais, J. (2007). Influence du pré-traitement mécanique et biologique des ordures ménagères résiduelles sur leurs caractéristiques bio-physico-chimiques. /TSM/. N°5 – Juillet 2007, pp.93-106. de Araújo Morais, J. ; Ducom, G. ; Achour, F. ; Rouez, M. & Bayard, R.. Mass balance to assess the efficiency of a Mechanical Biological Treatment before landfilling. /Waste Management/ 2007 Joseph, O. ; Rouez, M. ; Métivier-Pignon, H. ; Bayard, R. Emmanuel, E. & Gourdon, R. (2008). Anaerobic degradation of sugar cane bagasse for biogas production and enhanced adsorption capacities for heavy metals removal. /Bioressource Technology/. (Soumise en juillet 2008) Bayard, R. ; de Araújo Morais, J. ; Ducom, G. Achour, F. ; Rouez, M. & Gourdon, R. (2008). Carbon balance and evaluation of biostability in an industrial unit of Mechanical - Biological Treatment of municipal solid waste. Environment International, /(Soumise en juillet 2008) Conférences internationales avec comité de lecture Achour, F. ; de Araujo Morais, J. ; Rouez, M. de Brauer, C. ; Ducom, G. & Bayard, R. (2005). Characterization of Organic Matter in Municipal Solid Wastes : a pertinent tool for the assessment of a mechanical-biological treatment. International Symposium MBT 2005. 23-25 november 2005. Wasteconsult International. Cuvillier Verlag. ISBN 3-86537-665-7. (*communication orale*). Bayard, R. ; de Araujo Morais, J. ; Rouez, M. ; Fifi, U. ; Ducom, G. & Gourdon, R. (2008). Effect of Biological Pretreatment of MSW on Landfill Behaviour : Laboratory Study. Vth International Symposium on Anaerobic Digestion of Solid Wastes and Energy Crops Vth ISAD-SW&EC 2008. Hammamet, Tunisia, May 25 to 28, 2008. (*communication orale*). Rouez, M. ; Bayard, R. & Gourdon, R. (2008). Evaluation of aerobic and anaerobic biodegradability of individual fractions of MSW as compared to mixed waste. WASTEENG08. 2nd International Conference on Engineering for Waste Valorisation. June 3-5, 2008, Patras, Greece. (*affiche*). Sommaire Thèse M. Rouez – 2008 - 6 - LGCIE, INSA Lyon SOMMAIRE Liste des figures............................................................................................................... 11 Liste des tableaux ............................................................................................................ 15 Introduction générale...................................................................................................... 18 PARTIE A: BIBLIOGRAPHIE I. Généralités sur la filière de stockage des déchets ménagers et assimilés (DMA) .. 21 I.1. Aspects quantitatifs, qualitatifs et législatifs.................................................................................. 21 I.2. Evolution des DMA en centres d’enfouissement........................................................................... 22 I.2.1. Description générale d’un massif de déchet ...................................................................... 22 I.2.2. Les cinq étapes d’évolution d’une ISDND........................................................................ 23 I.3. Facteurs d’influence de l’évolution des DMA en centre d’enfouissement .................................... 25 I.4. Evolutions des modes de gestion des centres d’enfouissement .................................................... 28 II. Caractéristiques des déchets ménagers et de leur matière organique .................. 30 II.1. Caractéristiques physiques............................................................................................................ 30 II.1.1. Composition générale....................................................................................................... 30 II.1.2. Autres caractéristiques physiques..................................................................................... 32 II.2. Caractéristiques chimiques et biochimiques de la matière organique des DMA.......................... 33 II.2.1. Généralités........................................................................................................................ 33 II.2.2. Caractéristiques chimiques............................................................................................... 34 II.2.3. Caractéristiques biochimiques.......................................................................................... 37 II.3. Caractéristiques biologiques......................................................................................................... 40 III. Biodégradations de la MO des DMA...................................................................... 42 III.1. Aspects généraux bactériens........................................................................................................ 42 III.2. Phase d’hydrolyse........................................................................................................................ 43 III.3. Biodégradation aérobie................................................................................................................ 44 III.3.1. Aspects stoechiométriques.............................................................................................. 44 III.3.2. Aspects cinétiques........................................................................................................... 45 III.4. Biodégradation anaérobie............................................................................................................ 46 III.4.1. Les 4 étapes biochimiques successives de la méthanogenèse......................................... 46 III.4.2. Aspects stoechiométriques.............................................................................................. 48 III.4.3. Aspects cinétiques........................................................................................................... 49 III.4.4. Les principales autres respirations anaérobies ................................................................ 49 III.5. Facteurs d’influence de la méthanogenèse.................................................................................. 51 III.5.1. Inhibiteurs de la méthanogénèse ..................................................................................... 51 III.5.2. Balance acidogenèse / méthanogenèse............................................................................ 53 III.5.3. Autres facteurs d’influence de la méthanogenèse........................................................... 54 Sommaire Thèse M. Rouez – 2008 - 7 - LGCIE, INSA Lyon IV. Moyens d’évaluation de la biodégradabilité des DMA ......................................... 61 IV.1. Principe et considérations générales ........................................................................................... 61 IV.2. Evaluation de la biodégradabilité en aérobiose........................................................................... 63 IV.2.1. Les différents essais et méthodes d’évaluation............................................................... 63 IV.2.2. Domaines d’utilisation et limites des essais.................................................................... 65 IV.3. Evaluation de la biodégradabilité en anaérobiose....................................................................... 67 IV.3.1. Les différents essais et méthodes d’évaluation............................................................... 68 IV.3.2. Domaines d’utilisation et limites des essais.................................................................... 70 IV.4. Tests dits de « simulation »......................................................................................................... 74 V. Modélisation de la production de biogaz par biodégradation anaérobie de la matière organique........................................................................................................................ 75 V.1. Evaluation du potentiel méthanogène selon les caractéristiques chimiques et biochimiques ...... 76 V.1.1. Méthode générale : approche stoechiométrique............................................................... 76 V.1.2. Limites de l’approche stoechiométrique .......................................................................... 78 V.2. Modèles cinétiques du premier ordre ........................................................................................... 81 V.2.1. Aspects fondamentaux de la cinétique chimique ............................................................. 81 V.2.2. Modélisation à partir des concepts de cinétique chimique............................................... 82 V.2.3. Exemples d’application aux centres d’enfouissement...................................................... 83 V.2.4. Bilan................................................................................................................................. 84 V.3. Modèles biologiques..................................................................................................................... 85 V.3.1. Aspects fondamentaux de la cinétique bactérienne.......................................................... 85 V.3.2. Modélisation des étapes biologiques................................................................................ 86 V.3.3. Modélisation de la phase d’hydrolyse.............................................................................. 88 V.4. Prise en compte de processus limitants et de facteurs d’influence dans les modèles................... 89 V.4.1. Phénomènes d’inhibition.................................................................................................. 89 V.4.2. Modélisations affinées de l’hydrolyse.............................................................................. 91 V.4.3. Teneur en eau et prise en compte de l’hydrodynamique.................................................. 92 V.4.4. Autres facteurs d’influence physico-chimiques ............................................................... 94 VI. Bilan et objectifs........................................................................................................ 98 PARTIE B: ETUDE DE LA BIODEGRADATION DE DECHETS MENAGERS ET DE LEURS FRACTIONS CONSTITUTIVES I. Matériels et méthodes................................................................................................ 103 I.1. Matériaux testés et caractérisations générales.............................................................................. 103 I.1.1. Les différents déchets et matériaux testés........................................................................ 103 I.1.2. Caractérisations générales................................................................................................ 108 I.2. Incubations anaérobies................................................................................................................. 114 I.2.1. Protocole général ............................................................................................................. 114 I.2.2. Conditions opératoires optimisées................................................................................... 118 I.2.3. Etude de facteurs d’influence spécifiques........................................................................ 121 Sommaire Thèse M. Rouez – 2008 - 8 - LGCIE, INSA Lyon II. Résultats et discussions............................................................................................ 126 II.1. Caractérisations générales .......................................................................................................... 126 II.1.1. Analyses gravimétriques, élémentaires et physiques...................................................... 126 II.1.2. Demande Biochimique en Oxygène sur solides............................................................. 128 II.2. Incubations anaérobies................................................................................................................ 141 II.2.1. Incubations de mise au point.......................................................................................... 141 II.2.2. Etude en conditions d’incubations optimisées................................................................ 152 II.2.3. Facteurs d’influence spécifiques .................................................................................... 168 II.2.4. uploads/Science et Technologie/ these-maxime-rouez-29-09-08-2.pdf