Optimisation de la montée en charge des méthaniseurs à boues granulaires

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1 Optimisation de la montée en charge des méthaniseurs à boues granulaires ARNAUD Thierry(1), PELLET Stéphane(1), FOLLUT Marie-Laure (2) (1)Veolia Eau, Direction Technique & Synergies, 1 Rue Battista Pirelli, Bâtiment B, F Saint Maurice, France ( thierry.arnaud@veoliaeau.fr, stephane.pellet@veoliaeau.fr ). (2)Veolia Water STI, 2 Rue de Lombardie, Décines cedex, France ( marie-laure.follut@veoliawater.com) Journée technique méthanisation industrielle Chambéry, le 5 octobre 2011

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3 1. Intérêt des réacteurs à boues granulaires (Van Lier & al., 2008) UASB EGSB Charge volumique (kg DCO.m - ³.d -1 ) Charge massique (kg DCO.kgVS -1.d -1 ) Vitesse ascensionnelle (m.h -1 ) MES max en entrée (mg MES.L -1 ) Temperatures ( C) 0,3-0,6 0,3-1,0 0, < 1000 < Table 1 : Standard design criteria UASB & EGSB (Biothane 2011) Figure 1 : UASB Thanium TM (VWSTI 2011) 3

4 2. Pré-requis pour le démarrage d un réacteur à boues granulaires Ne pas compter sur un démarrage naturel Le temps de maturation de la biomasse anaérobie à partir de 0 est trop long (respect des délais contractuels ) La vitesse de croissance des bactéries anaérobies est lente : 0.03 kg MVS/ kg DCO méthanisée. Le succès du démarrage dépend de nombreux facteurs Il faut une biomasse granulaire en bonne santé Il faut une quantité de granules la plus proche possible de la charge massique nominale. 4

5 2. Pré-requis pour le démarrage d un réacteur à boues granulaires Le contrôle de la charge volumique suffit-il pour démarrer un méthaniseur? (Van Lier & al., 2008) 5

6 2. Pré-requis pour le démarrage d un réacteur à boues granulaires Les recommandations du manuel d exploitation sont-elles suffisantes pour assurer un démarrage rapide de méthaniseur? 6

7 2. Pré-requis pour le démarrage d un réacteur à boues granulaires Procédé Effluent DCO dégradée (gdco/l/j) Durée du démarrage (jours) Vitesse* (mgdco/l/j /j) Références EGSB Acides gras 9, ,5 Dinsdale et al. (1999) EGSB Lait écrémé 5, Pereira et al. (2002) UASB Abattoir 6, Caixeta et al. (2001) UASB Glucose 13, ,3 Gijzen et Kansiime (1996) UASB Acétate + glucose ,7 Hutnan et al. (1999) UASB Conserverie légumes 21, ,2 Lepistö (1997) UASB Amidonnerie ,7 Paris et al. (1988) UASB Glucose + peptone 19, ,7 Show et al. (2004) UASB Glucose + peptone 29, ,8 Show et al. (2004) UASB Saccharose 1, ,3 Tiwari et al. (2005) UASB Abattoir 24, ,1 Torkian et al. (2003) UASB Usine de café ,1 Vina et al. (1988) UASB AGV (C2 à C4) 37, Wiegant et al. (1985) UASB Distillerie Cirne et Arnaud (2010) Moyenne 15, ,9 Ecart-type 10, ,9 performances de montée en charge de méthaniseurs à boues granulaires *La vitesse de montée en charge est égale à la charge volumique traitée divisée par la durée de démarrage. 7

8 2. Pré-requis pour le démarrage d un réacteur à boues granulaires Les vitesses de démarrage sont très variables 35 à 375 mgdco.l-1.j-2, idem pour les durées de démarrage 1 à 6 mois selon le type d effluent. Pour un même type d effluent, les variations sont également importantes. Ex.: effluents d abattoir, 125 à 262 mgdco/l/j, 52 à 95 jours. 8

9 3. Stratégies de démarrage habituelles Stratégie par contrôle de la charge volumique : Alimentation initiale à % de la capacité nominale Paliers d augmentation de 10 à20 % en fonction des rendements en DCO 2 principales modalités de contrôle Le contrôle manuel (basé sur les analyses entrée/sortie) Avantages & Limites : Simple à mettre en oeuvre Temps de retour des analyses interprétation des seuils Le contrôle automatique (basé sur les analyseurs en ligne avec asservissement du débit d entrée) Avantages & Limites : Réduction de la période de démarrage Prévention des risques de surcharge Fiabilité des systèmes de mesure Complexité des programmes fonctionnels Coût parfois élevé 9

10 4. Vers un contrôle «manuel optimisé» Objectif : réduire la période de démarrage de façon simple et fiable Utiliser les équipements conventionnels Mesures en ligne : ph, températures, débits Analyses : DCO, AGV, TAC, MES Sélection de 3 paramètres clés AGV TAC Taux de perte des granules 10

11 4. Vers un contrôle «manuel optimisé» AGV : AGV (meq/l) Impact sur le méthaniseur < 3 Conditions normales de fonctionnement 3 à 7 Fonctionnement possible mais risque de déséquilibre > 7 Forte instabilité, risque d acidification et perte de rendement 11

12 4. Vers un contrôle «manuel optimisé» AGV/TAC AGV/TAC Impact sur le méthaniseur < 0,4 Conditions normales de fonctionnement 0,4 à 0,8 Fonctionnement possible mais risque de déséquilibre > 0,8 Forte instabilité, risque d acidification et perte de rendement 12

13 4. Vers un contrôle «manuel optimisé» GLR Tx de perte (ml.l -1 ) Impact sur le méthaniseur < 5 Conditions normales de fonctionnement 5 à 10 Fonctionnement possible mais risque de déséquilibre > 10 Forte instabilité, risque d acidification et perte de rendement 13

14 4. Vers un contrôle «manuel optimisé» AGV SCORE AGV/TAC SCORE Taux de perte SCORE (meq/l) (ratio) (ml/l) < 3 4 < 0,4 4 < à 5 2 0,4 à 0,8 2 5 à 10 2 > 5 1 > 0,8 1 > = niveau critique - 2 = niveau moyen - 4 = niveau stasifaisant" Score final = A x B x C Score Final Orientation proposée < 4 Diminuer la charge volumique jusqu à la valeur précédente 4 to 7 Maintenir la charge volumique 8 to 31 Augmenter la charge volumique de 10 % 32 to 64 Augmenter la charge volumique de 20 % 14

15 6. Etude de cas Paramètres Valeurs DCO soluble (g.l -1 ) 25 MES (g.l -1 ) 0,5 ph 5 NTK (g.l -1 ) 0,2 PT (g.l -1 ) 0,05 TAC (meq.l -1 ) 10 Effluent vinicole Caractéristiques du réacteur UASB : Volume : 70 m3 - Température: 37 C Cv: 15 kgdco.m-3.d-1 - Cm: 0,4 kgdco.kgvs-1.d-1 Capacité: 1000 kgdco.d-1 Rdt gatanti sur DCO: 80 % Le réacteur a été ensemencé avec 60 m3 de granules anaérobies à 50 kg MS/m 3. 15

16 OLR (kgcod/m3.d-1) COD removal (%) 6. Etude de cas UASB start-up w ith optimized manual procedure 18,00 100% 16,00 90% 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0,00 0% 1-mars 3-mars 5-mars 7-mars 9-mars 11-mars 13-mars 15-mars 17-mars 19-mars Date OLR (kgcod.m3.d-1) COD removal (%) Résultats sur la période globale de démarrage: DCO totale traitée en 20 jours = 9570 kg DCO traitée moyenne journalière = 9570/20 = kgdco.d-1 Cv moyenne appliquée: 328,5 x 1000/70 = 4,69 kg.m-3.d-1 Vitesse de démarrage : 234-mgDCO.L-1.d-2 16

17 OLR (kgcod.m-3.d- 1) COD removal (%) 6. Etude de cas Start-up period after acclimatation 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 9-mars y = 1,2775x + 2,5669 R 2 = 0, mars 13-mars 15-mars Dates 17-mars 100% 80% 60% 40% 20% 0% OLR (kgcod.m-3.d-1) COD removal (%) Linéaire (OLR (kgcod.m-3.d-1)) Calcul des performances en période de démarrage, hors semaine d acclimatation: DCO totale traitée = 5619 kg DCO traitée moyenne journalière = 5619 / 9 = kgdco.d-1 Cv moyenne appliquée: 328,5 x 1000/70 = 8,92 kgdco/m-3.d-1 Vitesse de démarrage : 8920 / 9 = 991 mgdco.l-1.d-2 17

18 6. Etude de cas La vitesse de démarrage sur la période totale, 234mgCOD.L-1.d-2 est proche des meilleures valeurs reportées dans la littérature. Hors période d acclimatation, la valeur de 991mgCOD.L- 1.d-2 est 6 fois supérieure aux valeurs de la littérature. La période totale de démarrage de 20 jours est 4 fois inférieure à la moyenne des périodes de démarrage de la littérature. 18

19 7. Conclusions & perspectives Se situant en complément des recommandations traditionnelles de mise en route des réacteurs anaérobies à boues granuleuses, la stratégie de contrôle manuel optimisé a donné entière satisfaction aux opérateurs. Des adaptations des paramètres clés et des valeurs guides sont en cours pour d autres technologies anaérobies (CSTR, AnMBR). 19

20 Merci de votre attention Et encore un grand merci à René pour sa contribution au progrès de la méthanisation! 20