Le biogaz fait partie des stratégies de diversifications des énergies renouvelables à l'échelle européenne. Un des freins technico-économiques à la valorisation en moteur thermique est la formation de dépôts abrasifs résultant de la combustion d'impuretés contenues dans les biogaz notamment les Composés Organiques Volatils du Silicium (COVSi communément appelés siloxanes) qui pénalisent le fonctionnement et les coûts de maintenance associés. L'impact négatif sur la filière est conséquent, de même que celui du sulfure d'hydrogène (H2S). Les recherches, articulées en 3 axes, sont développées avec la volonté de prendre en compte la réalité industrielle : -Analyse de dépôts moteurs prélevés sur plusieurs sites industriels. Ils sont caractérisés par analyses élémentaire, diffraction des rayons X, microcalorimétrie et microscopie électronique. L'objectif est de réfléchir à la possibilité d'utiliser les caractéristiques physico-chimiques d'un dépôt comme un indicateur de la qualité du biogaz dont il est issu. -Comparatif de deux méthodes d'analyses des COVSi, non seulement concernant les biais analytiques liés à la nature même des composés, mais aussi sur les difficultés liées aux prélèvements de biogaz sur site. Les résultats permettent d'appréhender les valeurs absolues des résultats analytiques avec plus de recul et de les pondérer. -Evaluation de traitements épuratoires du biogaz vis-à-vis des COVSi et d'H2S. Un comparatif des performances de plusieurs charbons actifs est réalisé au laboratoire en conditions contrôlées, et sur le terrain. Un réacteur de traitement gaz-liquide est testé sur biogaz réel pour en apprécier les performances vis-à-vis de certains COVSi. L'ensemble de cette étude permet de réfléchir sur la pertinence du choix des critères de qualité d'un biogaz, mais aussi sur les méthodes analytiques d'évaluation de ces critères. Ce dernier point est fondamental pour toute mise en œuvre et dimensionnement d'un système de traitement épuratoire.

Le biogaz fait partie des stratégies de diversifications des énergies renouvelables à l’échelle européenne. Un des freins technico-économiques à la valorisation en moteur thermique est la formation de dépôts abrasifs résultant de la combustion d'impuretés contenues dans les biogaz notamment les Composés Organiques Volatils du Silicium (COVSi communément appelés siloxanes) qui pénalisent le fonctionnement et les coûts de maintenance associés. L’impact négatif sur la filière est conséquent, de même que celui du sulfure d’hydrogène (H2S). Les recherches, articulées en 3 axes, sont développées avec la volonté de prendre en compte la réalité industrielle : -Analyse de dépôts moteurs prélevés sur plusieurs sites industriels. Ils sont caractérisés par analyses élémentaire, diffraction des rayons X, microcalorimétrie et microscopie électronique. L’objectif est de réfléchir à la possibilité d’utiliser les caractéristiques physico-chimiques d’un dépôt comme un indicateur de la qualité du biogaz dont il est issu. -Comparatif de deux méthodes d’analyses des COVSi, non seulement concernant les biais analytiques liés à la nature même des composés, mais aussi sur les difficultés liées aux prélèvements de biogaz sur site. Les résultats permettent d'appréhender les valeurs absolues des résultats analytiques avec plus de recul et de les pondérer. -Evaluation de traitements épuratoires du biogaz vis-à-vis des COVSi et d’H2S. Un comparatif des performances de plusieurs charbons actifs est réalisé au laboratoire en conditions contrôlées, et sur le terrain. Un réacteur de traitement gaz-liquide est testé sur biogaz réel pour en apprécier les performances vis-à-vis de certains COVSi. L’ensemble de cette étude permet de réfléchir sur la pertinence du choix des critères de qualité d’un biogaz, mais aussi sur les méthodes analytiques d’évaluation de ces critères. Ce dernier point est fondamental pour toute mise en œuvre et dimensionnement d’un système de traitement épuratoire. / As a renewable source of energy, biogas is part of the European strategies of energetic diversifications. However, some biogas impurities hampered economics benefices of recovery by causing damages to industrial process. Amongst these impurities, the worst are Volatile Organic Silicon Compounds (VOSiC commonly named siloxanes) which badly impact the system, as well as hydrogen sulfide (H2S). The approach of this work is developed with the will to take into account the industrial reality: in our case, landfill industries. For that purpose, 3 axes of research have been investigated: The first part deals with the most important barrier for electricity production from landfill gas (LFG), i.e solid oxide deposits in the engines, which increase maintenance costs and frequencies. Deposits from several landfills have been analyzed: elementary analysis, X-Ray diffraction, micro-calorimetry and scanning electron microscopy. The study aim is to develop a reflexion on the possibilities to use physico-chemical properties of a deposit as an indicator of corresponding landfill gas quality. The second part describes a comparison between two analytical methods for VOSiC in LFG. The main focus is not only about analytical bias but also a reflexion dealing with sampling issues. The knowledge of these biases allows the evaluation of analytical results. The third part is dedicated to H2S and VOSiC removal from LFG. An efficiency comparison of several sorbents (activated charcoal) has been performed under field and controlled conditions at laboratory. A gas-liquid pilot system has been built and evaluated with real LFG on site, mainly for VOSiC removal. The overall study provides scientific discussions about the relevance of biogas quality criteria, the efficiency of analytical methods in regards to the design basis of biogas treatment processes.

Le biogaz est une source d’énergie renouvelable, dont le potentiel est insuffisamment valorisé à l’heure actuelle. Avant toute valorisation énergétique, des traitements épuratoires coûteux (e.g. adsorption par des charbons actifs imprégnés, CAI) sont nécessaires, limitant la rentabilité économique. Un intérêt vers le développement de procédés de traitement « bon marché » est mis en évidence au travers d’études, la plupart à l’échelle du laboratoire, basées sur l’utilisation de déchets/sous-produits. Nous avons ainsi réalisé une étude de faisabilité d’un procédé d’élimination d’H2S, composé très corrosif et toxique, par des Mâchefers d’Incinération de Déchets Non Dangereux (MIDND). Une unité pilote a été installée sur la plateforme de valorisation de biogaz d’une installation de stockage de déchets non dangereux. Des essais à petite échelle (500 g) ont permis le screening de 6 différents MIDND et l’identification des paramètres influents sur le traitement d’H2S. Le transfert d’échelle (10 kg), ainsi que des conditions opératoires optimisées, ont permis d’obtenir une capacité d’adsorption des MIDND supérieure à 200 gH2S/kgMS, proche de celle de certains adsorbants commerciaux. Ce travail expérimental a été complété par un questionnement scientifique sur les mécanismes de rétention d’H2S. Un panel de techniques analytiques a permis de caractériser la matrice (avant et après traitement), de réaliser les bilans de soufre et d’identifier sa spéciation. Le mécanisme proposé repose majoritairement sur l’oxydation catalytique d’H2S en soufre élémentaire dans un contexte physico-chimique adéquat (humidité, pH, porosité, présence d’O2 et de métaux). L’intérêt économique de la mise en œuvre industrielle du procédé de désulfuration avec des MIDND a été démontré, avec une réduction conséquente des coûts de traitement par rapport à l’utilisation de CAI. Ce travail montre également l’intérêt environnemental d’un tel procédé qui entre parfaitement dans le cadre de l’économie circulaire. / Biogas is a renewable energy source, which potential is still under-evaluated. Before any energy production from biogas, costly purification treatments (e.g. adsorption by impregnated activated carbons, IAC) are necessary, limiting the economic profitability. An increasing interest in the development of "low-cost" treatments based on the use of waste/by-products is shown by several studies, most of all by tests at laboratory scale. Thus, a feasibility study of the use of Municipal Solid Waste Incineration (MSWI) Bottom ash (BA) for the removal of H2S, a very corrosive and toxic compound in biogas, has been carried out in this thesis. An experimental pilot was installed on an energy recovery plant from biogas produced in a landfill (non-hazardous waste). Small-scale trials (500 g) allowed the screening of 6 different BAs and the identification of key parameters of the desulfurization. The transfer to a bigger scale reactor (10 kg), as well as the optimized operating conditions, enabled to obtain an adsorption capacity higher than 200 gH2S/kgdy BA, similar to that of some commercial adsorbents. The on-site experimental study has been completed by a scientific investigation on the mechanisms involved on the H2S retention by BA. Several analytical techniques were used to characterize the material before and after the biogas treatment, to carry out the sulfur mass balances and to identify its chemical speciation. The proposed mechanism relies predominantly on the catalytic oxidation of H2S to elemental sulfur, in an adequate physicochemical context (moisture, pH, porosity, O2 and metal oxides). The economic benefit of an industrial implementation of the desulfurization treatment with MIDND has been demonstrated. The operational costs are reduced compared to a treatment with IAC. The environmental value of such a treatment is also shown and fits perfectly into a circular economy framework.

Au cours de cette thèse, les prévisions de la méthodologie d’Analyse de Cycle de Vie (ACV) sont améliorées, via l’exergie, pour l’analyse et l’éco-conception des procédés. Nous mettons l’accent sur le potentiel de l’analyse exergétique et de la Consommation d’Exergie Cumulée (CExC) dans l’évaluation du critère d’épuisement, de productivité et de recyclabilité des ressources naturelles. Dans ce cadre, les transferts de pollutions et les impacts environnementaux d’un système de traitement des eaux résiduaires (STEP) ont été analysés en relation avec l’exergie consommée (CExC) et de l’exergie détruite (étude a priori). L’étude montre que la décision est différente lorsque l’indicateur d’épuisement des ressources naturelles est basé sur la méthode CExC de celle basée sur la méthode CML. L’amélioration de l’éco-efficacité d’une STEP implique un recyclage des boues en agriculture. La stabilisation des boues par digestion anaérobie réduit le volume des boues et ainsi l’impact du transport en comparaison avec la stabilisation à la chaux. Toutefois, elle réduit le potentiel fertilisant des boues, d’une part, et augmente la consommation d’énergie et l’impact du réchauffement climatique à cause du traitement des retours en tête d’autre part. Bien que la valorisation du biogaz en cogénération réduise la dépendance énergétique de la STEP et améliore son éco-efficacité globale en comparaison avec le chaulage, elle n’offre pas la possibilité à un séchage des boues. Le séchage des boues constitue l’une des recommandations des agriculteurs, bien qu’il n’améliore pas le l’éco-efficacité globale de la STEP, en augmentant l’épuisement et l’exergie détruite des ressources brutes et du biogaz / The focus of the work has been to improve the predictions of Life Cycle Assessment (LCA) via exergy for processes analysis and eco-design. The potential of the exergetic analysis and Cumulative Exergy Consumption (CExC) in estimating the criterion of depletion, productivity and recyclability of natural resources has been investigated. In this context, the transfer of pollutants and the environmental impacts of a wastewater treatment system (WWTP) have been analyzed in relation with the consumed exergy (CExC) and the destroyed exergy. The study shows that decision is different if the indicator of depletion of natural resources is based on the method of CExC or on the CML method. The improvement of the overall eco-efficiency of a WWTP involves a recycling of sludge in agriculture. Stabilization of sludge by anaerobic digestion reduces the volume of sludge and consequently the impact of transport in comparison with the stabilization with lime. However, on one hand, it reduces the fertilizer potential of sludge. On the other hand it increases energy consumption and the impact of the global warming because of the treatment of digested sludge supernatant recycled to the WWTP. Although the recovery of biogas by cogeneration reduces the energy dependency of the WWTP and improves its overall eco-efficiency in comparison with the liming scenario, it does not provide the possibility for sludge drying. Drying the sludge is one of the recommendations of farmers, although it does not improve the overall eco-effectiveness of the WWTP, and increases the depletion and the destroyed exergy of raw resources and biogas