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1 Journées thématiques du Réseau National Biofilms, Juin 2006, Orléans Etude de la formation du biofilm lors du démarrage de procédés intensifs de méthanisation R. Cresson, R. Escudié, H. Carrère, J.P. Delgenès, N. Bernet LBE-INRA, Narbonne A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T

2 Plan de la présentation 1 - Le démarrage des digesteurs à biomasse fixée 2 - Le réacteur à lit turbulé inverse 3 - Impact des conditions hydrodynamiques 4 - Impact du temps de séjour hydraulique 5 - Conclusions

3 Plan de la présentation 1 - Le démarrage des digesteurs à biomasse fixée 2 - Le réacteur à lit turbulé inverse 3 - Impact des conditions hydrodynamiques 4 - Impact du temps de séjour hydraulique 5 - Conclusions

4 Le démarrage des digesteurs à biomasse fixée Réticences à utiliser la digestion anaérobie Procédés à biomasse fixée Faibles taux de croissance Découplage du TSH et du TSB des microorganismes Forte concentration en biomasse Procédé souvent instable : consortium microbien sensible aux perturbations Augmentation de la robustesse : rôle protecteur du biofilm résistance des microorganismes (chocs de charge, variation du ph ) Phase de démarrage critique (mise en œuvre, durée) (Henze et al. 1983; Weiland et al. 1991; Puñal et al.; Nicolella et al ) Étude du démarrage des réacteurs de digestion anaérobie à biomasse fixée

5 Le démarrage des digesteurs à biomasse fixée Inoculation Nature de l inoculum Temps de contact avant alimentation en continu Biofilm Induction Initiation Accumulation Plateau Montée en charge Temps Conditions environnementales (hydrodynamique) Stratégie de montée en charge Efficacité de traitement Inoculation Démarrage Temps Latence Montée en charge État stationnaire

6 Plan de la présentation 1 - Le démarrage des digesteurs à biomasse fixée 2 - Le réacteur à lit turbulé inverse 3 - Impact des conditions hydrodynamiques 4 - Impact du temps de séjour hydraulique 5 - Conclusions

7 Le réacteur à lit turbulé inverse Réacteur triphasique - Fluidisation par le gaz - Support de faible densité Bon mélange Contrôle de la hauteur du lit Décanteur intégré : récupération des solides sédimentés Fortes contraintes hydrodynamiques (évite la sur-accumulation de biomasse) Boues

8 Support particulaire Le réacteur à lit turbulé inverse 300 µm Ø=192 μm ρ = 0,696 Boues

9 ph = 7 V = 7,24L t C = 37 C Alim. : vin dilué Dispositif expérimental

10 Plan de la présentation 1 - Le démarrage des digesteurs à biomasse fixée 2 - Le réacteur à lit turbulé inverse 3 - Impact des conditions hydrodynamiques 4 - Impact du temps de séjour hydraulique 5 - Conclusions

11 Hydrodynamique et développement du biofilm LTI : Fortes contraintes hydrodynamiques? Impact de l hydrodynamique sur la formation du biofilm Démarrage 2 LTI : 2 Vitesses de recirculation du biogaz testées Faibles contraintes : Ug 1 = 1mm.s -1 = vitesse minimale de fluidisation Fortes contraintes Ug 2 = 10 mm.s -1 = vitesse max régime homogène Ajustement des contraintes hydrodynamiques appliquées? Contrôle actif de l accumulation de la biomasse sur le support Biofilm installé dans les deux systèmes Égalisation des vitesses : Ug 1 = Ug 2 = 7 mm.s -1

12 Hydrodynamique et développement du biofilm Conditions de démarrage Inoculation massive, mode discontinu : 24h Alimentation en continu TSH = 1 jour Taux de dilution > taux de croissance des microorganismes Montée en charge Par paliers avec un taux d épuration seuil fixé à 80% Réacteur fortes contraintes : 0,5 à 6 gdco.l -1.j -1 en 72 jours Réacteur faibles contraintes : 0,5 à 6 gdco.l -1.j -1 en 64 jours

13 Biomasse fixée ( gmva. L -1 ) Développement du biofilm Accumulation de matières volatiles Temps (j) Faibles contraintes Fortes contraintes Hydrodynamique et développement du biofilm Faibles 0.15 contraintes Biomasse (g.l -1.j -1 ) Détachement Accumulation Production Temps(j) Fortes contraintes Biomasse (g.l -1.j -1 ) Détachement Accumulation Production Temps(j)

14 Réacteur faibles contraintes Hydrodynamique et développement du biofilm Réacteur fortes contraintes

15 Hydrodynamique et développement du biofilm Variation de la vitesse de gaz Biomasse fixée ( gmva. L -1 ) Réacteur faibles contraintes Biomasse fixée - Réacteur fortes contraintes Réacteur fortes contraintes Biomasse fixée - Réacteur faibles contraintes Égalisation de la vitesse de recirculation du biogaz pour les deux réacteurs Ug = 7mm.s Temps (j)

16 Hydrodynamique et développement du biofilm Égalisation de la vitesse de gaz à 7 mm.s -1 Accumulation Détachement Faibles contraintes Accumulation Détachement Fortes contraintes 0.2 Biomasse (g.l -1.j -1 ) Temps (j)

17 Hydrodynamique et développement du biofilm Faibles contraintes hydrodynamiques : Démarrage plus rapide, croissance du biofilm plus importante Fortes contraintes : Activités spécifiques du biofilm élevées : 3,5 g DCO dégradée / g Biofilm vs 1,8 g DCO dégradée / g Biofilm Problématique du démarrage des réacteurs de digestion anaérobie : Minimiser les contraintes hydrodynamiques Égalisation des vitesses de gaz Augmentation de la vitesse pas de détachement massif du biofilm Diminution de la vitesse augmentation de la vitesse de croissance A Ug égales les taux de détachement et accumulation sont équivalents Une fois le biofilm installé : Variation de la vitesse de gaz régulation de l épaisseur du biofilm

18 Plan de la présentation 1 - Le démarrage des digesteurs à biomasse fixée 2 - Le réacteur à lit turbulé inverse 3 - Impact des conditions hydrodynamiques 4 - Impact du temps de séjour hydraulique 5 - Conclusions

19 Impact du temps de séjour hydraulique Compétition microorganismes libres vs microorganismes fixés? Influence du temps de séjour hydraulique Démarrage de 2 LTI : TSH constant et court (24h) Lessivage rapide des microorganismes apportés lors de l inoculation limite l impact de l activité de ces microorganismes non fixés TSH initial élevé (40j) Lessivage progressif des microorganismes apportés lors de l inoculation

20 Impact du temps de séjour hydraulique Conditions de démarrage Inoculation mode discontinu : temps minimum (temps du remplissage) Contraintes hydrodynamiques minimales Ug = 1mm.s -1 Montée en charge Augmentation exponentielle la CVA de 0,5 to 20 gdco.l -1.j -1 en 30 jours Durée de la montée en charge fixée a priori Lessivage rapide TSH constant = 1 jour DCO in augmente de 0,5 (t0) à 20 gdco.l -1 (t+31jours) Lessivage progressif TSH diminue de 40 jours (t0) à 1 jour (t+31jours) DCO in constante = 20 gdco.l -1

21 Impact du temps de séjour hydraulique Augmentation de la CVA 25 CVA Lessivage rapide CVA Lessivage progressif CVA (gdco.l -1.j -1 ) Temps (j)

22 Impact du temps de séjour hydraulique Croissance du biofilm 25 CVA Biofilm Lessivage rapide CVA Biofilm Lessivage progressif CVA (gdco.l -1.j -1 ) Biofilm (g.l -1 ) Temps (j)

23 Impact du temps de séjour hydraulique 100% Biomasse libre Biomasse fixée Lessivage rapide Biomasse libre vs biomasse fixée 80% Biomasse (%) 60% 40% 20% 0% Temps(j) 45

24 Impact du temps de séjour hydraulique Biomasse libre Biomasse fixée Lessivage rapide Biomasse libre Biomasse fixée Lessivage progressif 100% 80% Biomasse (%) 60% 40% 20% 0% Temps(j) 45

25 Impact du temps de séjour hydraulique Performances épuratoires Objectif atteint avec les deux stratégies Lessivage rapide : meilleures performances + 17% DCO éliminée, + 19% de méthane produit Production et accumulation d AGV Conversion éthanol / AGV : 7 % lessivage rapide vs 13% lessivage progressif Lessivage progressif : forte accumulation d AGV à la fin de la montée en charge (2,5g.L -1 vs 0,3 g.l -1 lessivage rapide) Formation du biofilm Lessivage rapide : forte croissance du biofilm 4,5 x plus de biomasse à la fin de la montée en charge (44 jours) TSH court Taux de dilution > taux de croissance Favorise le développement du biofilm

26 Conclusions Étude de la phase d inoculation et de latence Efficacité de traitement Inoculation Démarrage Temps Latence Montée en charge État stationnaire PCR-SSCP : Fixation rapide des microorganismes en nombre suffisant pour former un biofilm Réduction de la phase de latence à quelques minutes (temps de remplissage du réacteur)

27 Conclusions Montée en charge : Influence des conditions opératoires Efficacité de traitement Inoculation Démarrage Temps Latence Montée en charge État stationnaire Contraintes hydrodynamiques : conditionnent la croissance du biofilm Minimiser les contraintes hydrodynamiques Ajuster les contraintes pour réguler l accumulation de biofilm TSH : compétition trophique microorganismes libres vs microorganismes fixés Lessivage rapide de l inoculum Taux de dilution > taux de croissance des microorganismes

28 Conclusions Application des résultats obtenus (inoculation, stratégie de démarrage) au démarrage d un réacteur à lit fixe de 1 m 3 Cloisonyle Augmentation de la CVA de 0,5 à 20 gcod.l -1.j -1 Démarrage en 34 jours (Yep = 80%) Confirme les résultats obtenus en LTI Stratégies applicables pour le démarrage de digesteurs industriels

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