Recherche d'indicateurs de biodegradabilité anaérobie et modélisation de la digestion anaérobie thermophile : applications aux boues secondaires d'épuration non traitées et prétraitées thermiquement

La gestion des boues d’épuration constitue un réel enjeu économique et environnemental en raison de l’augmentation de leur quantité et des contraintes réglementaires. Toutefois, leur valorisation sous forme de biogaz, énergie renouvelable, répond aux critères de développement durable. Dans un contexte industriel, la mesure de la biodégradabilité anaérobie des boues à traiter est nécessaire afin de mettre en place un système de traitement adapté. Or, outre des essais expérimentaux de longues durées (potentiel méthane) et lourds d’un point de vue analytique, il n’existe actuellement aucun moyen de caractériser cette biodégradabilité. De plus, les modèles de digestion anaérobie, proposés pour représenter les performances, possèdent des lacunes concernant l’étape d’hydrolyse en raison d’une description limitée des mécanismes chimiques et biochimiques de cette étape. Ainsi les travaux de la thèse se sont intéressés à l’étude du lien entre la caractérisation chimique et biochimique de la matière organique et les performances de digestion anaérobie. Une étude statistique par PLS a permis d’élaborer un modèle du potentiel méthane des boues étudiées. La caractérisation biochimique (protéines, glucides et lipides) ainsi que deux paramètres macroscopiques (degré d’oxydation et carbone organique soluble) se sont révélés comme des indicateurs initiaux pertinents de la biodégradabilité. Le suivi de dégradation en réacteur batch d’une boue non traitée et prétraitée thermiquement a montré que la phase de méthanogénèse est étroitement reliée à l’étape d’hydrolyse. En effet, une phase de latence sur la production de méthane est observée, ainsi qu’une production importante d’acétate les premiers jours de la dégradation. De plus, les variations des concentrations en composés solubles ainsi que la cinétique de production de méthane ont mis en évidence l’existence de deux phases distinctes d’hydrolyse des composés particulaires. La bioaccessibilité de la matière particulaire au sein des boues d’épuration est donc un facteur important sur les performances de dégradation. Un modèle de digestion anaérobie, basé sur l’ADM1, a également été proposé afin de représenter l’impact de la composition initiale des boues d’épuration sur les dynamiques de dégradation anaérobie. Deux modifications ont été effectuées afin d’obtenir une meilleure représentation des phénomènes réactionnels, et notamment de l’accessibilité de la matière. Ainsi, une vitesse de réaction de Contois pour les étapes de désintégration et d’hydrolyse et deux variables d’entrée, une fraction facilement hydrolysable Xcr et une fraction lentement hydrolysable Xcs, ont été introduites. Le modèle modifié est capable de représenter les cinétiques de dégradation, obtenues en conditions batch et continue.The sewage sludge management represents economical and environmental issues. However, the sludge valorisation into biogas, renewable energy, contributes to the sustainable development. In an industrial context, the measurement of anaerobic biodegradability is a challenge in order to elaborate an optimised treatment process. Nowadays, aside from experimental anaerobic degradation tests, demanding laboratory work and time-consuming, the biodegradability cannot be characterised. Moreover, the anaerobic digestion models, used to represent the performances, have some limitations for the description of hydrolysis step. Indeed, the first order kinetic equation used to represent the physicochemical and biochemical mechanism is too simple. The aim of thesis was thus to study the relationship between chemical and biochemical characterisation and anaerobic digestion performances. The potential methane of studied sludge samples could be predicted thanks to a partial least square (PLS) regression. The biochemical characterisation (proteins, carbohydrates and lipids) and two macroscopic parameters (oxidation state and soluble organic carbon) seem to be relevant parameters to assess the anaerobic biodegradability of WAS samples. The degradation of untreated and thermally pretreated WAS samples was monitored in batch reactors. The methanogenesis was shown to be driven by the hydrolysis. Indeed a latency period and a high acetate production were observed during the first days of experiment. Moreover, the soluble compound concentration variations and the methane production kinetics showed two distinct hydrolysis phases of particulate matter. The WAS degradation is therefore dependent on the bioaccessibility of particulate organic matter. A modified structure of Anaerobic Digestion Model n°1 (ADM1) was proposed in order to represent the impact of WAS initial composition on the anaerobic degradation dynamics. Two modifications were performed for enhancing the representation of hydrolysis step and the particulate matter accessibility. Thus the Contois model was used to describe disintegration and hydrolysis steps and two particulate organic matter fractions: a readily hydrolysable fraction Xcr and a slowly hydrolysable fraction Xcs, were introduced. The modified model was able to simulate the degradation performances in batch and continuous conditions