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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/152524 |
| Date | 24 October 2024 |
| Creators | Hmaissia, Amal |
| Contributors | Vaneeckhaute, Céline |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxix, 262 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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