Towards a new biogas purification system using municipal solid waste incineration bottom ash : Development and implementation of an adsorption treatment for H2S

Le biogaz est une source d’énergie renouvelable, dont le potentiel est insuffisamment valorisé à l’heure actuelle. Avant toute valorisation énergétique, des traitements épuratoires coûteux (e.g. adsorption par des charbons actifs imprégnés, CAI) sont nécessaires, limitant la rentabilité économique. Un intérêt vers le développement de procédés de traitement « bon marché » est mis en évidence au travers d’études, la plupart à l’échelle du laboratoire, basées sur l’utilisation de déchets/sous-produits. Nous avons ainsi réalisé une étude de faisabilité d’un procédé d’élimination d’H2S, composé très corrosif et toxique, par des Mâchefers d’Incinération de Déchets Non Dangereux (MIDND). Une unité pilote a été installée sur la plateforme de valorisation de biogaz d’une installation de stockage de déchets non dangereux. Des essais à petite échelle (500 g) ont permis le screening de 6 différents MIDND et l’identification des paramètres influents sur le traitement d’H2S. Le transfert d’échelle (10 kg), ainsi que des conditions opératoires optimisées, ont permis d’obtenir une capacité d’adsorption des MIDND supérieure à 200 gH2S/kgMS, proche de celle de certains adsorbants commerciaux. Ce travail expérimental a été complété par un questionnement scientifique sur les mécanismes de rétention d’H2S. Un panel de techniques analytiques a permis de caractériser la matrice (avant et après traitement), de réaliser les bilans de soufre et d’identifier sa spéciation. Le mécanisme proposé repose majoritairement sur l’oxydation catalytique d’H2S en soufre élémentaire dans un contexte physico-chimique adéquat (humidité, pH, porosité, présence d’O2 et de métaux). L’intérêt économique de la mise en œuvre industrielle du procédé de désulfuration avec des MIDND a été démontré, avec une réduction conséquente des coûts de traitement par rapport à l’utilisation de CAI. Ce travail montre également l’intérêt environnemental d’un tel procédé qui entre parfaitement dans le cadre de l’économie circulaire.Biogas is a renewable energy source, which potential is still under-evaluated. Before any energy production from biogas, costly purification treatments (e.g. adsorption by impregnated activated carbons, IAC) are necessary, limiting the economic profitability. An increasing interest in the development of "low-cost" treatments based on the use of waste/by-products is shown by several studies, most of all by tests at laboratory scale. Thus, a feasibility study of the use of Municipal Solid Waste Incineration (MSWI) Bottom ash (BA) for the removal of H2S, a very corrosive and toxic compound in biogas, has been carried out in this thesis. An experimental pilot was installed on an energy recovery plant from biogas produced in a landfill (non-hazardous waste). Small-scale trials (500 g) allowed the screening of 6 different BAs and the identification of key parameters of the desulfurization. The transfer to a bigger scale reactor (10 kg), as well as the optimized operating conditions, enabled to obtain an adsorption capacity higher than 200 gH2S/kgdy BA, similar to that of some commercial adsorbents. The on-site experimental study has been completed by a scientific investigation on the mechanisms involved on the H2S retention by BA. Several analytical techniques were used to characterize the material before and after the biogas treatment, to carry out the sulfur mass balances and to identify its chemical speciation. The proposed mechanism relies predominantly on the catalytic oxidation of H2S to elemental sulfur, in an adequate physicochemical context (moisture, pH, porosity, O2 and metal oxides). The economic benefit of an industrial implementation of the desulfurization treatment with MIDND has been demonstrated. The operational costs are reduced compared to a treatment with IAC. The environmental value of such a treatment is also shown and fits perfectly into a circular economy framework