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Analyse du couplage digestion anaérobie - gazéification pour le traitement des boues d'épuration

Lacroix, Nicolas (2014). Analyse du couplage digestion anaérobie - gazéification pour le traitement des boues d'épuration. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les boues d’épuration sont le résultat d’un processus chimique ou biologique visant à séparer la matière solide de l’eau des effluents résultant d’activités humaines. Sans ce processus de séparation, la capacité d’autoépuration des milieux récepteurs serait rapidement excédée et la qualité des cours d’eau serait grandement affectée, ce qui aurait un impact direct sur la santé des écosystèmes et des humains. Toutefois, les processus d’épuration impliquent la gestion de grandes quantités de boue. La digestion anaérobie comme méthode de réduction et de stabilisation constitue un pas dans la bonne direction. Néanmoins, cela ne permet que de régler partiellement le problème de la disposition des boues d’épuration. La gestion de cette matière constitue malheureusement encore un maillon faible dans le bilan environnemental des stations d’épuration puisque environ les deux tiers sont encore incinérés ou enfouis au Québec (Canada) en dépit des efforts investis.

Cette recherche a eu pour objectif d’identifier et d’analyser une méthode de récupération de l’énergie des boues tout en tentant de conserver les propriétés fertilisantes. Une attention particulière a alors été accordée à l’évaluation de la synergie d’un couplage entre la digestion anaérobie et la gazéification. La priorité est mise sur la limitation de l’utilisation de combustibles fossiles et sur les effets de déperditions abiotiques ou d’appauvrissement de la matière organique et des minéraux. La démarche scientifique est basée sur l’évaluation des bilans de masse et d’énergie à partir des paramètres mesurés dans des conditions réelles pour la digestion anaérobie (station d’épuration de la Ville de Châteauguay) et pilotes pour la gazéification.

L’un des principaux défis rencontrés concerne la faible siccité du digestat et son pouvoir calorifique réduit. Néanmoins, il a été évalué que le couplage permettrait de dégager un surplus de 7,4 et 4,1 GJ par tonne métrique anhydride de boue sous forme de biogaz et d’énergie à basse température respectivement. De plus, le phosphore total a été conservé à 95% durant la gazéification en plus de doubler sa concentration dans le produit final.

Ce couplage technologique présente de nombreux avantages mais également d’importants défis techniques. Il ne fait nul doute qu’il pourrait être mis en oeuvre et que cela constituerait une amélioration par rapport aux méthodes d’élimination actuelles. Une évaluation du bilan exergétique et l’analyse du cycle de vie permettrait de mieux situer cette approche dans le contexte québécois et ailleurs afin de favoriser la prise de décision.

Titre traduit

Analysis of anaerobic digestion and gasification coupling for treatment of municipal wastewater sludge

Résumé anglais

Municipal wastewater sludge is the by-product of a chemical or a biological solid removal process that aims at minimizing human impact on receiving waters. Without this process, the capacity of the affected ecosystems would severely affected and so would ecosystems and human health. Wastewater treatment processes implies the management of large quantities of sludge. Anaerobic digestion is a great step toward sustainable sludge reduction and stabilization. Nevertheless, digestion solves only partially the problem of sludge disposal. Unfortunately, sludge management is still the weak link of the environmental impact of wastewater treatment plants. Despite the efforts invested, two thirds of sludge produced in Québec (Canada) still ends up in landfills or in incinerators.

This research aimed to identify and analyze an optimal energy-from-sludge approach while trying to maintain some of the fertilizing properties in the end product. A particular attention has been given to the synergy of an anaerobic digestion and gasification coupling. Priority has been put on fossil fuel reduction and on organic matter and minerals recovery. The scientific approach relies on energy and mass balances based on real conditions for anaerobic digestion (Châteauguay wastewater treatment plant in Québec, Canada) and on pilot scale conditions for gasification.

One of the main challenges is the high moisture content and the low heating value of sludge. Yet, is has been evaluated that an excess of 7.4 and 4.1 GJ per dry ton of sludge could be recovered respectively as biogas and low temperature heat. Furthermore, 95% of total phosphorus has been maintained during the gasification step while doubling its concentration in the final product, biochar.

This technological coupling shows many advantages but also great technical challenges. It makes no doubt that this coupling could be realized and would be a significant improvement over actual disposal practices. An exergetic balance evaluation as well as a life cycle analysis would contribute to a better understanding of the place of this approach in Québec context and elsewhere.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique" Bibliographie : pages 91-98.
Mots-clés libres: Boues d'épuration Gestion. Boues d'épuration Valorisation. Digestion anaérobie. Biomasse Gazéification. biosolides, efficacité énergétique, biogaz
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Rousse, Daniel R.
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Hausler, Robert
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 07 mai 2014 17:49
Dernière modification: 04 juin 2014 19:35
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1306

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