Modeling of a dry anaerobic digestion reactor and study of the in-situ treatment of ammonia

La méthanisation, ou digestion anaérobie, est reconnue comme une voie alternative de production d’énergie renouvelable permettant à la fois de traiter des déchets organiques et de produire un vecteur énergétique, le biogaz. Cependant, malgré des objectifs ambitieux affichés par la France, le développement de la filière de méthanisation se heurte encore à un certain nombre de verrous. Parmi ces verrous, l’inhibition de l’activité de la biomasse par de fortes concentrations en ammoniac peut s’avérer très limitante lors de l’utilisation de certains substrats agricoles. Ces travaux, effectués en collaboration avec la société ARKOLIA Énergies, s’inscrivent dans le projet régional OCCIMETHA dont l’un des objectifs est de présenter des solutions industrielles à la gestion de l’ammoniac issu de la dégradation des gisements riches en azote organique présents en région Occitanie (résidus d’élevages porcin, ovin, caprin et avicole). Ces travaux se concentrent sur l’étude d’une solution de traitement in-situ de l’ammoniac qui pourrait être mise en oeuvre au sein du procédé « voie épaisse » nommé ARKOMETHA® développé par ARKOLIA Énergies. Cette solution consiste en l’injection d’un courant de biogaz appauvri en ammoniac directement dans le milieu de digestion afin de désorber une fraction de l'ammoniac qu’il contient. Dans l’objectif d’évaluer la faisabilité et la viabilité de cette voie d’extraction, un modèle dynamique de réacteur est développé. Il permet de prévoir l’apparition de phénomène d’inhibition à l’ammoniac, de s’approcher d’une représentation du fonctionnement réel de l’ARKOMETHA® et de simuler le traitement in-situ de l’ammoniac. Ce modèle de réacteur intègre une version simplifiée du modèle biologique « Anaerobic digestion model number 1 » (ADM1) et assimile l’écoulement horizontal de type « piston » de la matière au sein de l’ARKOMETHA® à une succession de « n » réacteurs parfaitement agités continus (RAC). Les paramètres cinétiques de ce modèle ont été fixés dans une gamme cohérente de valeurs au regard de la littérature et une étape d’analyse de sensibilité a permis de mettre en exergue les paramètres influençant significativement les sorties du modèle. Afin de pouvoir prédire la manifestation de forts effets d’inhibition à l’ammoniac, il est démontré qu’il est impératif de considérer en sus de l’inhibition à l’ammoniac libre (NH3), largement reconnue comme la forme la plus inhibitrice de l’ammoniac, l’inhibition à l’ion ammonium (NH4+). La dernière partie de ce travail est consacrée à l’étude du traitement in-situ de l’ammoniac au cours de la digestion d’un substrat agricole type de la région Occitanie dans deux configurations de RAC en série différentes : cinq RACs de volumes identiques ; quatre RACs de volumes croissants représentant une phase d’hydrolyse suivie d’une phase de méthanogenèse. Au vue du manque de données bibliographiques sur le coefficient de transfert liquide-gaz (kLa) et sur la constante d’inhibition seuil de l’ion ammonium (Kimax,NH4+), l’influence de ces paramètres sur l’efficacité du stripping est discutée. Il apparait que ces paramètres influencent grandement l’estimation du débit de biogaz nécessaire au traitement de l’ammoniac et que de ce fait leur calibration est cruciale. Aussi, les effets des différents paramètres d’injection que sont le débit de biogaz, sa composition (CH4, CO2, NH3) et les zones du méthaniseur traitées sont évalués sur les caractéristiques du milieu de digestion (alcalinité, pH) ainsi que sur l’efficacité du traitement de l’ammoniac. L’ensemble de ces études permet de montrer qu’il est possible d’empêcher l’inhibition à l’ammoniac et l’arrêt des processus de digestion par l’extraction in situ d’ammoniac. Cependant, bien que les conditions optimales du traitement de l’ammoniac dépendent des paramètres cinétiques du modèle, il apparait que cette méthode nécessite de forts débits d’injection ce qui peut remettre en question sa faisabilité industrielle.Anaerobic digestion (AD) is recognised as an alternative way to treat and to recycle organic wastes while producing biogas. Despite ambitious objectives set by French governments, the development of AD in France still faces various obstacles. Among these obstacles, the inhibition of biomass activity by high ammonia concentrations can be very limiting when treating nitrogen rich organic substrates. This work, carried out in collaboration with the company ARKOLIA Énergies, is part of the regional project OCCIMETHA. One of the objectives of this project is to present industrial solutions for the management of the ammonia produced during the degradation of nitrogen rich substrates present in the Occitanie region (pig, sheep, caprine and poultry farming residues). This work focuses on the study of an in-situ ammonia treatment that could be implemented within the dry AD process developed by ARKOLIA Energies, called ARKOMETHA®. This solution consists in injecting an ammonia-depleted biogas stream directly into the digestion medium in order to desorb a fraction of the ammonia it contains. In order to evaluate the feasibility and viability of this extraction method, a dynamic reactor model was developed. It enables to predict the ammonia inhibition phenomena, to approach a representation of the real operation of the ARKOMETHA® and to simulate the in-situ treatment of ammonia. This reactor model integrates a simplified version of the "Anaerobic digestion model number 1" (ADM1) and assimilates the horizontal plug-flow of the medium in the digester to a succession of "n" continuous stirred tank reactor (CSTR). The kinetic parameters of this model were set within a consistent range of values according to the literature and a sensitivity analysis method was used to highlight the parameters that significantly influence the model outputs. In order to be able to predict the appearance of strong ammonia inhibition effects, it is shown that it is imperative to consider, in addition to free ammonia (NH3) inhibition, widely recognised as the most harmful form of ammonia, the ammonium ion (NH4+) inhibition. The last part of this work is devoted to the study of the in-situ treatment of ammonia during the digestion of a typical agricultural substrate from the Occitanie region in two several configurations of CSTRs: five CSTRs of identical volumes; four CSTRs of increasing volumes representing a hydrolysis phase followed by a methanogenesis phase. The effects of the different injection parameters, i.e. the biogas flow rate, its composition (CH4, CO2, NH3) and the zones of the anaerobic digester treated, are assessed on the characteristics of the digestion medium (alkalinity, pH) as well as on the efficiency of the ammonia treatment. Also, as literature lacks of papers about inhibition threshold concentration for ammonium (Kimax,NH4+) and about liquid/mass transfer coefficient (kLa), a complementary work is thus performed to estimate influences of these parameters on the efficiency of stripping. It appears that these parameters greatly influence the estimation of the biogas flow rate required for the treatment of ammonia and therefore their calibration is crucial. All these studies show that it is possible to prevent ammonia inhibition and the shutdown of digestion processes by in-situ ammonia extraction. Although the optimal conditions for ammonia treatment depend on the kinetic parameters of the model, it appears that this extraction method requires high injection rates, which may call into question its industrial feasibility