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Étude expérimentale et modélisation de la digestion anaérobie des matières organiques résiduelles dans des conditions hyperthermophiles

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Arras, Wassila (2017). Étude expérimentale et modélisation de la digestion anaérobie des matières organiques résiduelles dans des conditions hyperthermophiles. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L'effet de la température sur la formation d'acides pendant la fermentation des résidus solides municipaux est étudié en premier lieu (étape acidogène). La performance d’un lot de six réacteurs anaérobies est évaluée en utilisant trois sources d’inoculum différentes : inoculum anaérobie mésophile issue du traitement des boues de station d’épuration des eaux usées; inoculum anaérobie thermophile provenant du traitement des résidus de farine d’une usine agroalimentaire; et un troisième inoculum anaérobie hyperthermophile provenant d’un réacteur traitant des algues. Les réacteurs ont été portés à leur température d’origine et à 70°C. Les résultats ont montré qu’une phase de latence d’une journée est observée à 35°C et 55°C, à la différence de 70°C, où la solubilisation commence dès le premier jour. Par ailleurs, l’hydrolyse de la matière organique atteint une efficacité de 40 % à 70°C, en présence d'inoculum thermophile. Le suivi de la phase acidogenèse a montré une variation dans la composition des composés organiques à chaque température. L’acide acétique est retrouvé en forte concentration à 35°C (10 000 mg DCO/L), l’acide butyrique est produit à 35°C et 55°C (3800 mg DCO/L et 5000 mg DCO/L respectivement). En outre, une proportion importante d'acide lactique est observée seulement à 70°C avec l’inoculum thermophile (7000 mg DCO/L) à un pH de 5, suivi de la formation de l’éthanol (4000 mg DCO/L) et finalement l’acide formique (700 mg DCO/L) à un pH de 6. Par ailleurs, le taux de fermentation maximal est trois fois plus élevé à 70°C qu'à 55°C (22 800 mg DCO/L.J contre 6800 mg DCO/L.J).

En deuxième lieu, un modèle acidogenèse hyperthermophile (HAM) a été développée pour prédire les composés organiques de la fermentation des résidus alimentaires en discontinu à 70°C. Les paramètres du modèle ont été estimés en utilisant des données expérimentales obtenues à partir du réacteur discontinu anaérobie. Le modèle a été validé en utilisant des données provenant d'un réacteur discontinu où le taux de charge organique est augmenté. Le modèle a ensuite été testé en utilisant les données d'un réacteur discontinu à 35°C. Les résultats expérimentaux montrent un bon accord avec la prédiction du modèle, ce qui indique que le modèle peut simuler avec précision la génération d'acides organiques à 70°C et 35°C.

Enfin, le modèle HAM a été couplé au modèle de Digestion Anaérobie Modèle N1 (ADM1) pour simuler la production de CH4 à partir d’une acidogenèse hyperthromophile ou mésophile. Les résultats ont montré un débit égal à 1600 Nm3 /J à 70°C et 1850 Nm3 / J à 35°C.

Titre traduit

Experimental study and modeling anaerobic digestion of organic waste in hyper thermophilic conditions

Résumé traduit

The effect of temperature on acid formation during fermentation of municipal solid waste MSW is investigated firstly (acidogenic step). The performance of six batch anaerobic reactors is evaluated using three different inoculum sourcs mesophilic anaerobic sludge from a biosolids digester of a municipal wastewater treatment plant (HS); thermophilic anaerobic sludge treating flour residues from an agro-food industry (AD) and an anaerobic hyperthermophilic sludge treating microalgae (HT). The reactors are brought to their temperature of origin and at 70°C. The results show that a one day latent phase is observed at 35°C and 55°C unlike at 70°C where solubilisation begins from day one, Moreover, The hydrolysis of the organic matter reaches an efficiency of 40% at 70°C., in the presence of inoculum. The tracking of the acidogenic phase shows a variation in the composition of the organic acids at each temperature. Acetic acid is found in high concentrations at 35°C (10 000 mg COD /L), butyric acid is produced at 35°C and 55°C (3800 mg COD / L and 5000 mg COD / L respectively). In addition, a large proportion of lactic acid is observed only at 70°C. (7000 mg COD / L) at a pH of 5 followed by the formation of ethanol (4000 mg COD / L) and finally the acid (700 mg COD / L) at a pH of 6. On the other hand, the maximum fermentation rate is three times higher at 70°C than at 55°C (22800 mg COD / LJ compared to 6800 mg COD / LJ).

Secondly, a Hyperthermophilic Acidogenesis Model (HAM) is developed to predict the organic compounds of the fermentation of food residues discontinuously at 70°C. The model parameters are estimated using experimental data obtained from the anaerobic batch reactor. The model is validated using data from a discontinuous reactor where the organic loading rate is increased. The model is then tested using data from a batch reactor at 35°C. The experimental results show good agreement with model prediction, indicating that the model can accurately simulate the generation of organic acids at 70°C and 35°C.

Finally, the HAM model is coupled to the Anaerobic Digestion Model N1 model (ADM1) to simulate the production of CH4 from hyperthromophilic or mesophilic acidogenesis, the results give a flow rate equal to 1600 Nm3 /J at 70°C and 1850 Nm3 /J at 35°C.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 81-92.
Mots-clés libres: Digestion anaérobie. Déchets organiques. Hautes températures. Digestion anaérobie Modèles mathématiques. conditions hyperthermophiles, matière résiduelle municipale, acides organiques, modèle dynamique, phase acidogène, modèle de digestion anaérobie N1 (ADM1)
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Hausler, Robert
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 28 févr. 2018 17:07
Dernière modification: 28 févr. 2018 17:07
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2008

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