Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La phase de démarrage est une étape critique pour les opérateurs de digesteurs anaérobies en raison des instabilités rencontrées, qui peuvent entraîner une réduction du flux de déchets à traiter, voire un arrêt complet du digesteur, nécessitant un redémarrage. Ces problèmes entraînent des pertes économiques importantes dues à l'accumulation de déchets organiques et à des coûts d'exploitation non optimaux de l'usine de biogaz (chauffage, moteurs, etc.). Ce projet de thèse vise à développer des approches pour comprendre les dynamiques de la phase de démarrage afin de permettre une application efficace, l'élaboration de protocoles standardisés et une prise de décision éclairée. Pour ce faire, la thèse a été divisée en deux phases : 1) la Phase 1 est conçue pour définir les principes fondamentaux menant à des phases de démarrage réussies, et 2) la Phase 2 vise à établir des lignes directrices pour la prise de décision afin d'optimiser la sélection et la mise en œuvre de l'inoculum dans les digesteurs anaérobies. Dans la phase 1, les principes de base de la digestion anaérobie sont définis au chapitre 1, suivis des particularités de la phase de démarrage au chapitre 2. Ainsi, les défis uniques liés à la phase de démarrage ont été soulignés et l'importance de l'inoculum au cours de la planification du démarrage a été mise en évidence. La plupart des données expérimentales examinées sont ensuite normalisées et compilées dans une base de données au chapitre 3. Cela a permis d'appliquer des méthodes statistiques et d'apprentissage automatique pour saisir les corrélations cachées entre les paramètres étudiés et la durée du démarrage. La base de données développée comprenait 90 % de cas de démarrage réussis et 10 % de cas d'échec, résumant efficacement les conditions conduisant à des cas de démarrage réussis. L'étude de l'effet des paramètres d'exploitation sur la durée de la phase de démarrage a mis en évidence l'importance du contrôle du régime d'alimentation pendant la phase de démarrage en maintenant un temps de rétention hydraulique (TRH) suffisamment bas, même si le contenu organique de substrat est élevé, grâce à une gestion optimale du taux de charge organique (TCO) sans dilution de substrat. Cependant, la base de données développée n'a pas pu capturer l'impact de l'inoculum sur la durée de démarrage en raison du manque de détails rapportés dans la littérature. Par conséquent, la deuxième phase se concentre sur le développement de lignes directrices pour une meilleure sélection et mise en œuvre de l'inoculum dans les digesteurs anaérobies. Dans un premier temps, les indicateurs pertinents de la performance de l'inoculum liés à la température et aux caractéristiques sont identifiés au chapitre 4 par le biais d'expériences en batch. Les concentrations initiales d'ammoniac total, d'alcalinité, d'acides gras volatiles (AGV) et la température de l'inoculum sont les principales caractéristiques reflétant la diversité bactérienne et la cinétique de l'inoculum. Le chapitre 5 étudie l'impact de la stabilisation de l'inoculum et de la réponse à des événements d'alimentation extrêmes sur la phase de démarrage au cours d'une expérience semi-continue de 115 jours. Lors d'événements d'alimentation extrêmes, le digestat thermophile stabilisé a montré une plus grande sensibilité aux charges organiques élevées, alors que le réacteur ensemencé avec du digestat thermophile frais a été plus influencé par la suspension de l'alimentation. Une fois que les deux digesteurs ont atteint le régime permanent, des différences mineures ont été observées entre les deux réacteurs. Enfin, le chapitre 6 met en évidence l'effet du choix de l'inoculum sur les performances économiques des systèmes de digestion anaérobie. Il a été constaté que la matière digérée (digestat) utilisée comme inoculum conduit à une meilleure performance des réacteurs pendant la phase de démarrage que la matière non digérée (boues municipales). En effet, le coût de production d'un mètre cube de méthane et de traitement d'un kilogramme de solides volatiles (SV) dans le digesteur inoculé avec du digestat était respectivement 18 et trois fois moins élevé que dans le digesteur inoculé avec des boues municipales diluées. Tout au long de ce projet de doctorat, les fondamentaux et les principes de la phase de démarrage sont présentés, suivis par le développement de lignes directrices pour la prise de décision concernant la sélection et la mise en œuvre de l'inoculum. / The start-up phase is a critical step for anaerobic digester operators due to the instabilities encountered, which can lead to a reduced flow of waste to be treated or even a complete shutdown of the digester, necessitating a restart. These issues result in significant economic losses due to the accumulation of organic waste and non-optimal operating costs of the biogas plant (heating, motors, etc.). This PhD project aims to develop knowledge-based approaches to understand the dynamics of the start-up phase for efficient application, the development of standardized protocols, and informed decision-making. To achieve this, the thesis has been divided into two phases: 1) the first phase is designed to define the fundamentals leading to successful start-up phases, then 2) the second phase targets the establishment of decision-making guidelines for optimizing the selection and implementation of the inoculum in anaerobic digesters. In Phase 1, the basic principles of anaerobic digestion are defined in Chapter 1, followed by the particularities of the start-up phase in Chapter 2. As such, the unique challenges related to the start-up phase have been outlined and the importance of the inoculum during the start-up planning has been highlighted. Most of the reviewed experimental data are then standardized and compiled into a database in Chapter 3. This allowed for applying statistical and machine learning methods to capture hidden correlations between the studied parameters and start-up duration. The developed database included 90 % successful and 10 % failed start-up cases, effectively summarizing conditions leading to successful start-up cases. The study of the impact of operating parameters on the start-up phase duration highlighted the importance of controlling the feeding regime during the start-up phase by maintaining sufficiently low hydraulic retention time (HRT), even if the organic content of the feed is high, through optimal organic loading rate (OLR) handling without feed dilution. However, the developed database couldn't capture the impact of the inoculum on the start-up duration due to insufficient reported details in the literature. Therefore, the second phase focuses on developing guidelines for the enhanced selection and implementation of the inoculum in anaerobic digesters. Initially, relevant indicators of inoculum performance related to temperature and characteristics are identified in Chapter 4 through batch experiments. Initial concentrations of total ammonia, alkalinity, VFA, and inoculum temperature were the main characteristics reflecting inoculum bacterial diversity and kinetics. Chapter 5 studies the impact of inoculum stabilization and response to extreme feeding events on the start-up phase during a 115-day semi-continuous experiment. Under extreme feeding events, the stabilized thermophilic digestate showed greater sensitivity to high organic loads, whereas the reactor seeded with fresh thermophilic digestate was more affected by feed suspension. Once both digesters reached the steady-state, minor differences were observed between the two reactors. Finally, Chapter 6 highlights the impact of inoculum choice on the economic performance of anaerobic digestion systems. It has been found that digested material (digestate) used as inoculum leads to a better performance of reactors during the start-up phase than undigested material (municipal sludge). Indeed, the cost of producing one cubic meter of methane and processing one kilogram of volatile solids (VS) in the digester inoculated with digestate was 18 and three times cheaper, respectively, than in the digester inoculated with diluted municipal sludge. Throughout this PhD project, the fundamentals and principles of the start-up phase are presented, followed by the development of decision-making guidelines for inoculum selection and implementation.

Ce mémoire de maîtrise présente en détail le projet de recherche sur la valorisation des boues de procédé de l'entreprise Celanese, manufacturier de polymères situé à Boucherville. Les boues, contenant principalement du poly acétate de vinyle, sont présentement destinées à l'enfouissement, ce qui entraine des dépenses économiques importantes ainsi qu'un impact négatif sur l'environnement. Ce projet a comme objectif d'étudier la faisabilité de la digestion anaérobie comme solution de valorisation et de proposer la meilleure option de valorisation à Celanese. En premier lieu, une mise en contexte présente la compagnie Celanese et les objectifs du projet. Puis, le premier chapitre présente en détail la digestion anaérobie, son utilité et la théorie associée au test de potentiel biométhanogène. Ensuite, la méthodologie présente les étapes effectuées par l'étudiant pour répondre aux objectifs du projet. La méthodologie inclut les étapes de l'échantillonnage, la caractérisation, le test de potentiel biométhanogène et les prétraitements aux boues pour améliorer les résultats. La section résultats présente par la suite les résultats de la caractérisation et des deux essais du test de potentiel biométhanogène. Finalement, une analyse technico-économique est présentée à la fin pour évaluer la rentabilité du projet. Les recommandations finales indiquent que la digestion anaérobie des boues non traitées n'est pas réalisable en raison du manque de production de gaz. De son côté, la digestion anaérobie des boues traitées améliore la production, mais l'analyse économique préliminaire indique que le projet ne serait pas rentable selon les critères de Celanese. Le dernier chapitre présente une alternative à la digestion anaérobie, soit la pyrolse. Les résultats d'une analyse thermogravimétrique semblent montrer que la pyrolyse est prometteuse. La recommandation générale du projet est d'évaluer dans le futur la pyrolyse des boues de Celanese plutôt que la digestion anaérobie. / This Master thesis presents the details of the research project concerning the valorization of process sludge of Celanese, polymers manufacturer located in Boucherville. Their sludge, containing mainly polyvinyl acetate, is currently destined to landfilling, which causes economic and environmental problems to the company. The objective of this project is to study the feasibility of anaerobic digestion as a solution of the valorization and to recommend the best solution to Celanese. First, the general context of the project is presented, with presentation of the company Celanese and the project objectives. Then, the first chapter presents in detail the anaerobic digestion, its utility and the theory related to the biomethane potential test. Then, the methodology chapter presents the different steps of the project according to its objectives. Methodology includes sampling, characterization, the biomethane potential test and the pretreatment to improve methane production. Results chapter then presents results of characterization and both tests of biomethane potential. Finally, a technical and economic analysis is presented to evaluate the profitability of the project. Final recommendations indicate that anaerobic digestion of untreated sludge is not possible because of the lack of biogas production. Anaerobic digestion of treated sludge improves biogas production, but economic analysis shows that treatment would not be profitable according to the Celanese's economic criteria. The final chapter presents the alternative option to anaerobic digestion, which is pyrolysis. Results from a thermogravimetric analysis indicate that pyrolysis might be a promising solution. The general recommendation of this project if to evaluate pyrolysis of Celanese's sludge as a future alternative to anaerobic digestion.

Cette étude porte sur l'évaluation de la performance d'un procédé biologique visant â réduire la concentration en sulfure d'hydrogène (H[indice inférieur2]S) présent dans le biogaz. De l'air est injecté dans la phase gazeuse d'un bioréacteur de digestion anaérobie (ratio volumique air/biogaz=1/20) de telle sorte à assurer à la surface du liquide, une zone en micro-aérobie.Cette recherche s'intéresse spécifiquement aux boues anaérobies psychrophiles (25[degrés celsius]), acclimatées à du lisier bovin ou porcin. Une première expérience vise à évaluer le potentiel de biotransformation des boues non alimentées en lisier et soumises à une charge connue en H[indice inférieur 2]S (entre 0,68 et 2,19 mg H[indice inférieur 2]S L[indice supérieur -1] boues h[indice supérieur -1]) injectée dans la phase liquide à la base du bioréacteur. Un taux maximal de biotransformation de 1,27 mg H[indice inférieur 2]S L[indice supérieur -1] boues h[indice supérieur -1] a été obtenu pour un taux de réduction du H[indice inférieur 2]S de 96,9%, une capacité 6,7 fois supérieure au taux maximal obtenu pour un bioréacteur alimenté avec du lisier bovin (0,19 mg H[indice inférieur 2]S L[indice supérieur -1] boues h[indice supérieur -1]). Une deuxième expérience consiste à évaluer l'impact d'un tel procédé sur le rendement en méthane et la stabilité d'un bioréacteur en opération. Deux bioréacteurs psychrophiles sont opérés en mode semi-batch et alimentés de manière identique avec du lisier bovin. Un seul des deux bioréacteurs est opéré en micro-aérobie. Ce bioréacteur a présenté des concentrations en H[indice inférieur 2]S indétectables (<50 ppm), sauf les journées où le ratio volumique air/biogaz était entre 0 et 0,056. Des concentrations variant entre 0 et 3500 ppm étaient mesurées dans l'effluent gazeux du bioréacteur sans injection d'air. Le bioréacteur en micro-aérobie a présenté un rendement spécifique en méthane 6,5% plus faible que le bioréacteur témoin, mais cet écart a diminué jusqu'à 0,87% pour les 4 derniers cycles de l'expérience durant lesquels le débit d'air a été réduit et maintenu à 4 ml/min.

La digestion anaérobie implique un écosystème complexe qui dégrade progressivement la matière organique est la transforme en dioxyde de carbone et en (bio)méthane. Ce biogaz est une source d'énergie renouvelable dont l'utilisation s'inscrit dans une optique de développement durable. Le potentiel biogaz reste néanmoins sous-exploité à cause d'un manque d'outils adaptés pour garantir la pérennité des installations et mieux maîtriser la qualité du biogaz. Nous proposons des stratégies pour mieux valoriser les résidus organiques liquides, à travers deux approches. L'une propose des méthodes pour identifier un risque de déstabilisation et prévenir un mauvais fonctionnement du procédé, l'autre repose sur la régulation de la qualité du biogaz. Ces méthodes nécessitent des modèles dynamiques pour décrire avec précision l'évolution des variables du système. Nous proposons une modélisation fine des transferts liquide-gaz, qui conduit à un modèle où le coefficient de transfert (kLa) dépend du débit total de biogaz.<br />Ce lien implique une relation linéaire entre la qualité du biogaz et la concentration en CO2 dissous, qui sert à améliorer les modèles existants. Un indice de risque de déstabilisation du procédé est construit à partir d'une analyse de stabilité d'un modèle simplifié. Cette procédure, appliquée à un procédé pilote, peut détecter une éventuelle déstabilisation du fermenteur, plus tôt que les indicateurs usuels (pH, acides gras volatils). Enfin, nous introduisons une nouvelle stratégie de contrôle de la qualité du biogaz basée sur la régulation de l'alcalinité dans le digesteur. Différentes lois de commande sont proposées et validées expérimentalement sur un réacteur pilote.

Les systèmes de digestion anaérobie (DA) sont des systèmes biomécaniques complexes qui demandent une conception et une fabrication particulières pour chaque cas. Ces systèmes, à la base, utilisés sur les fermes pour transformer le fumier en biogaz et en engrais, sont maintenant utilisés pour transformer tout type de matières organiques allant des déchets de table aux rejets industriels. Ce mémoire porte sur deux post-traitements possibles de l’effluent de tels systèmes dans le but d’améliorer le bilan environnemental, de réduire l’impact sur les stations de traitement des eaux usées (STEU) et de poser les bases pour de futures recherches sur le recyclage de la portion liquide de cet effluent vers les systèmes de digestion anaérobie. Le post-traitement permet d’améliorer le bilan environnemental en évitant de relâcher certains contaminants dans la nature ou vers les STEU, ce qui pourrait gravement affecter leur efficacité de traitement. Les traitements retenus sont un traitement biologique (figure 2) par nitrification et dénitrification de l’effluent ainsi qu’un traitement chimique par stripage à l’air. Le traitement biologique a permis de retirer 50% de la charge azotée pour des conditions d’opération données comparativement à plus de 90% pour le traitement chimique. Le système qui s’avère le plus efficace en terme de temps de traitement (moins de 12 heures versus 5 jours), de flexibilité par rapport aux charges (jusqu’à 6000 ppm d’azote ammoniacal versus moins de 2000 ppm) et d’efficacité du retrait en général est le traitement par stripage à l’air. Comparativement au traitement biologique, ce traitement ne demande pas de temps de démarrage, ce qui permet aux usines de biométhanisation d’être conformes à leurs objectifs de rejet dès le premier jour.

De grandes quantités de méthane sont générées dans les sédiments marins, mais l'émission dans l'atmosphère de ce gaz à effet de serre important est en partie contrôlé par oxydation anaérobie de méthane couplé à la réduction de sulfate (SR AOM). AOM-SR est médiée par des méthanotrophes anaérobies (ANME) et bactéries sulfato-réductrices (SRB). AOM-SR est non seulement la régulation du cycle du méthane, mais il peut être utile appliquée pour la désulfuration des eaux usées industrielles au détriment du méthane comme source de carbone. Cependant, il a une bouilloire jambe pour contrôler et comprendre pleinement ce processus, principalement en raison de la lenteur croissante de l'ANME. Cette recherche a étudié de nouvelles approches pour contrôler et enrichiront ANME AOM SR et SRB dans le but final de la conception d'un bioréacteur approprié pour AOM SR à la pression ambiante et la température. Ceci a été réalisé en étudiant l'effet de (i) la pression et (ii) l'utilisation de différents composés du soufre comme accepteurs d'électrons sur AOM, (iii) la caractérisation de la communauté microbienne et (iv) L'identification des facteurs contrôlant la croissance des ANME et SRB .Théoriquement, le méthane des pressions partielles élevées favorisent AOM-SR, en plus de méthane sera dissoute et biodisponible. La première approche impliquait l'incubation d'un sédiments marins peu profonds (lac marin Gravelines) sous des gradients de pression. De manière surprenante, la plus haute AOM-SR activité a été obtenue à basse pression (MPa 00:45), montrant l'actif ANME méthane préféré faible disponibilité sur haute pression (10, 20, 40 MPa). Fait intéressant, ook l'abondance et la structure des différents types de ANME et CVN Piloté par pression.En outre, les micro-organismes présents dans les sédiments d'oxydation anaérobie de méthane ont été enrichies avec du méthane en tant que substrat dans le filtre de percolateur (BTF) aux conditions ambiantes. Autres composés de soufre (sulfate, thiosulfate et en soufre élémentaire) ont été utilisés comme accepteurs d'électrons. Quand a été utilisé comme thiosulfate accepteur d'électrons, son dismutation en sulfate et de sulfure a été la conversion de soufre dominant, mais les taux les plus élevés UTILE AOM-SR ont été enregistrés dans ce BTF. Par conséquent, AOM peut être directement couplé à la réduction ou thiosulfate, ou à la réduction du sulfate produit par le thiosulfate de dismutation. De plus, l'utilisation de thiosulfate a déclenché l'enrichissement ou SRB. D'autres termes, on a obtenu le plus haut ou l'enrichissement ANME Lorsque seul le sulfate a été utilisé comme accepteur d'électrons.Dans un BTF avec du sulfate en tant qu'accepteur d'électrons, tous deux ANME et SRB ont été enrichies à partir de sédiments marins et les flux de carbone à l'intérieur des micro-organismes enrichis ont été étudiés par fluorescence in situ échelle hybridation nanomètres spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS Nano-FISH). Les résultats préliminaires montrent l'absorption du méthane par un groupe spécifique de SRB.ANME et SRB adaptée aux conditions de sédiments profonds ont été enrichis dans un BTF à la pression ambiante et de la température. Le BTF est une combinaison bioréacteur de démarrage pour l'enrichissement ou lente des micro-organismes en croissance. De plus, peut être utilisé thiosulfate pour activer les sédiments et enrichir la communauté SRB plus d'enrichir la population stratégie ANME pour obtenir une haute AOM SR et plus rapide taux de croissance ANME et SRB pour les applications futures / Large amounts of methane are generated in marine sediments, but the emission to the atmosphere of this important greenhouse gas is partly controlled by anaerobic oxidation of methane coupled to sulfate reduction (AOM-SR). AOM-SR is mediated by anaerobic methanotrophs (ANME) and sulfate reducing bacteria (SRB). AOM-SR is not only regulating the methane cycle but it can also be applied for the desulfurization of industrial wastewater at the expense of methane as carbon source. However, it has been difficult to control and fully understand this process, mainly due to the slow growing nature of ANME. This research investigated new approaches to control AOM-SR and enrich ANME and SRB with the final purpose of designing a suitable bioreactor for AOM-SR at ambient pressure and temperature. This was achieved by studying the effect of (i) pressure and of (ii) the use of different sulfur compounds as electron acceptors on AOM, (iii) characterizing the microbial community and (iv) identifying the factors controlling the growth of ANME and SRB.Theoretically, elevated methane partial pressures favor AOM-SR, as more methane will be dissolved and bioavailable. The first approach involved the incubation of a shallow marine sediment (marine Lake Grevelingen) under pressure gradients. Surprisingly, the highest AOM-SR activity was obtained at low pressure (0.45 MPa), showing that the active ANME preferred scarce methane availability over high pressure (10, 20, 40 Mpa). Interestingly, also the abundance and structure of the different type of ANME and SRB were steered by pressure.Further, microorganisms from anaerobic methane oxidizing sediments were enriched with methane gas as the substrate in biotrickling filters (BTF) at ambient conditions. Alternative sulfur compounds (sulfate, thiosulfate and elemental sulfur) were used as electron acceptors. When thiosulfate was used as electron acceptor, its disproportionation to sulfate and sulfide was the dominating sulfur conversion, but also the highest AOM-SR rates were registered in this BTF. Therefore, AOM can be directly coupled to the reduction of thiosulfate, or to the reduction of sulfate produced by thiosulfate disproportionation. Moreover, the use of thiosulfate triggered the enrichment of SRB. Differently, the highest enrichment of ANME was obtained when only sulfate was used as electron acceptor.In a BTF with sulfate as electron acceptor, both ANME and SRB were enriched from marine sediment and the carbon fluxes within the enriched microorganisms were studied through fluorescence in-situ hybridization-nanometer scale secondary ion mass spectrometry (FISH-NanoSIMS). Preliminary results showed the uptake of methane by a specific group of SRB.ANME and SRB adapted to deep sediment conditions were enriched in a BTF at ambient pressure and temperature. The BTF is a suitable bioreactor for the enrichment of slow growing microorganisms. Moreover, thiosulfate can be used to activate the sediment and enrich the SRB community to further enrich the ANME population as strategy to obtain high AOM-SR and faster ANME and SRB growth rates for future applications

Ce mémoire porte sur la gestion des effluents organiques à l'aide d'un procédé intégré de valorisation énergétique dans le contexte d'une municipalité de 150 000 habitants en considérant la génération d'énergie et la réduction des gaz à effet de serre. Dans cette optique, la digestion anaérobie devient intéressante. Un premier scénario étudie la cogénération de chaleur et d'électricité à partir du biogaz issu de la digestion anaérobie des effluents organiques gérés par la municipalité : les résidus domestiques putrescibles et les boues d'usine municipale de traitement des eaux (scénario 1). Un second scénario propose d'ajouter le lisier issu des fermes régionales pour faire de la codigestion avec les matières gérées par la municipalité et faire de la cogénération de chaleur et d'électricité (scénario 2). Le troisième scénario propose de générer du gaz naturel renouvelable (GNR) en purifiant le biogaz pour accroître son pouvoir calorifique (scénario 3). Ces scénarios sont comparés d'un point de vue économique, énergétique et environnemental à l'aide du chiffrier MATTEUS version 5.11 développé par Hydro-Québec afin de proposer le meilleur procédé intégré de gestion à la municipalité en tenant compte des trois aspects. Le scénario 1 (cogénération) mène à une période de retour sur l'investissement (PRI) de 3,7 ans avec un prix d'achat de l'électricité de 0,10$/kWh. Le scénario 2 (codigestion) accroît la production de biogaz de 37%, mais augmente la PRI à 6,8 ans à moins que le digestat produit puisse être utilisé pour faire de la valorisation agronomique; cela devient économiquement avantageux. Le scénario 3 (GNR) n'obtient pas de PRI, car le coût d'achat du gaz naturel est trop faible. Par contre, ce scénario mène à la plus faible période de retour en énergie (3,3 ans) et réduit le plus les émissions de gaz à effet de serre (4261 tCO[indice inférieur 2] eq/an). Parmi les scénarios proposés, le scénario 1, cogénération des matières organiques gérées par la municipalité, représente l'alternative la plus intéressante économiquement et devrait être favorisé à l'heure actuelle. Toutefois, le scénario 3, GNR, se démarque dans les deux autres aspects.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.