PROcédé anaérobie de traitement de boues et de valorisation du METhane : approche multi-échelle – PROMET

La digestion anaérobie de boues reçoit un regain d’intérêt dans le contexte actuel d'environnement et d'énergie renouvelable, et joue un rôle croissant grâce à capacité de transformer des matières organiques dans des eaux usées en biogaz composé principalement de 50-75% méthane. Elle réduit également la quantité de boues pour l’épandage tout en détruisant la plupart des microbes pathogènes et en limitant des problèmes d'odeur. La digestion anaérobie optimise ainsi des coûts opérationnels des stations d’épuration. Le biogaz produit peut être facilement valorisé comme source d'énergie renouvelable par la technologie robuste telle que des unités combinées de chaleur et d’électricité sur place. Le méthane purifié trouve d'autres applications telles que le carburant vert de véhicule, le produit de remplacement pour le gaz naturel et la matière première dans des procédés pétrochimiques. La valorisation du méthane évite aussi l’émission d’un gaz à l'effet de serre. Le procédé anaérobie pour le traitement de boues et la valorisation de méthane correspond donc à un paradigme de développement durable : du traitement indispensable à la valorisation salutaire avec un rendement économique.

Si beaucoup d'efforts ont été consentis à l'application des technologies anaérobies dans le monde, il y a encore très peu de projets de recherche dédiés au cœur d’un procédé anaérobie qui est le réacteur, en particulier la compréhension fondamentale de différents mécanismes impliqués dans un tel procédé pour intensifier son efficacité. Des réacteurs anaérobies à écoulement ascendant et à charge hydraulique élevée tels que UASB, ICAR ou encore EGSB, etc., sont très répandus dans le monde. Néanmoins, comme tous réacteurs polyphasiques en Génie des Procédés, ces réacteurs sont de nature très complexe, particulièrement en raison du couplage entre les aspects biochimiques et les écoulements triphasiques. Si les mécanismes biochimiques de la digestion anaérobie ont été largement étudiés, rares sont les études portant sur la relation entre l’hydrodynamique et l’efficacité du procédé anaérobie à travers la qualité de boues et la production du méthane, à l’exception de l’approche globale du type boîte noire.

Le présent projet dans le cadre d'ANR Blanc - NSF Chine vise à initier une étude novatrice, à l’aide d’une approche multi-échelle, sur la compréhension des phénomènes fondamentaux afin de mieux comprendre le réacteur anaérobie ICAR dont l’hydrodynamique est similaire à celle dans UASB mais plus complexe avec la recirculation, et ensuite de l’intensifier. Deux axes prioritaires, l’un sur des boues et l’autre sur le méthane, sont abordés dans ce projet : (1) les comportements des granules de boues seront exhaustivement étudiés d'un point de vue hydrodynamique entre trois phases en présence : granules - bulles du biogaz et eau. L’évolution tant physique que biochimique d'un seul granule soumis à un champ de cisaillement dans un microcellule à micro-échelle sera lié aux propriétés globales caractérisées par prélèvement sur un pilote 3D à macro-échelle ; (2) les mécanismes de génération et de croissance du méthane seront étudiés de la nucléation d'une microbulle à la surface d'un granule jusqu'à ce qu'à l'analyse du biogaz issu d'un pilote 3D à macro-échelle dans de diverses conditions opératoires. Ces travaux seront complétés par des expériences dans un pilot 2D où de principales interactions sont présentes entre les trois phases.

La complexe hydrodynamique entre l’eau ascendante, des granules en sédimentation et des bulles en ascension sera étudiée à l’aide de la métrologie avancée de PIV, micro-PIV et de la simulation numérique LB. La parfaite complémentarité disciplinaires entre nos deux équipes et une collaboration préliminaire déjà établie permettra d’obtenir d’originaux résultats pour éclairer des mécanismes fondamentaux encore méconnus dans un procédé anaérobie de traitement de boues et de valorisation du méthane.