Méthanisation sur une usine de traitement d'eaux usées Piloter son installation - Sylviane MATTER - idealCO

Méthanisation sur une usine
de traitement d’eaux usées

Piloter son installation

Sylviane MATTER

 28/08/2018

SOMMAIRE

Préambule
Les avantages de la méthanisation en tant que filière
de traitement des boues

1. Théorie
    Principes d’une installation
    Mécanismes réactionnels en présence

2. Paramètres d’alimentation
      Concentration des intrants
      Température
      Temps de rétention hydraulique ou TRH
      Charge organique appliquée
      Rythme d’alimentation

SOMMAIRE Suite
3. Indicateurs de gestion de la méthanisation
      Teneurs en CH4 et CO2 du biogaz produit
      Baisse de la production de biogaz
      Alcalinité (TAC), Acides gras volatiles (AGV) et rapport AGV/TAC
      pH
      Teneur de la MV des boues digérées et rendement
      Moussage

4. Gestion des dysfonctionnements
    Identification de l’origine du dysfonctionnement
    Origine mécanique
            •   Problème sur le système de chauffage
            •   Problème sur le système de brassage
            •   Entrée importante d’air
            •   Ensablement et /ou phénomène de chapeau
    Origine process

Conclusion

Préambule Les avantages de la méthanisation

 Réduction de la masse (matières sèches)
  des boues de 35 à 40% des MS ou 40% à         Eau          Eau              Eau

  50% de MV                                                                                CH4 +
                                                                                            CO2+
                                                                                           (+H2O
 Stabilisation de la matière organique                                                      )

   (boues moins odorantes, amélioration                   Facilement
                                                         biodégradable
                                                                            Matière
                                                                            Volatile
                                              Matière
   des conditions de travail, réduction des   volatile
                                                          Difficilement
                                                                           convertie
                                                                           Difficilement
   nuisances)                                            biodégradable    biodégradable

                                              Matière      Matière          Matière
 Production d’énergie valorisable            minérale     minérale         minérale

  décarbonée : biogaz
 Diminution en germes pathogènes

Agitation mécanique
1 Théorie                                 Ou par recirculation             Valorisation
                                                                  • BioCH4  réinjection réseau
 Principes d’une installation                   du biogaz
                                                                  • Energie elec  cogénération
                                                                  • Energie thermique in situ ou
                                                                    externe  chaleur verte
                                                     Système de
  • Boues primaires                                   mélange
  • Boues biologiques
                                                                         Biogaz
  • Matières
                                                                         produit
    fermentescibles
    externes
                                                                                   Valorisation matière
                                                                                   • Epandage
                                                                                   • Compostage
  - Echangeurs tubulaires
  ou à plaque                                                     Sortie boues
  - Echangeurs dans la                                              digérées
                              Boucle
  masse ou de paroi
                                de
                            réchauffage                             Purge de
                                                                      fond
                Energie

1 Théorie
  Méthaniseur – Les différentes conceptions

                                       Gazomètre intégré ou
                                             séparé

        Agitation biogaz / mécanique
                                                                Construction
                                                              béton / métallique

1 Théorie
  Méthaniseur – Chauffage de paroi

       • Chauffage par réseaux enroulés autour
         du méthaniseur entre paroi interne et
         isolation externe
       • (Exemple conception LIPP)

1 Théorie
  Méthaniseur – Chauffage couplé sur une pompe à chaleur
     • Chauffage par pompes à chaleur sur eaux traitées et échangeurs spiralés
     • (Exemple Annecy)

1 Théorie
  Mécanismes réactionnels en présence

       Phénomènes              Molécules complexes
                              Sucres, protéines, lipides             Acteurs
       Hydrolyse                                                     Enzymes
                              Molécules simples
                        (Osides, pectides, acides aminés

       Acidogénèse                                                  Bact. Acidogènes

                                Acides gras volatiles

       Acetogénèse                                                  Bact. Acétogènes

                     H2,CO2                     Acétate (CH3COO-)

       Méthanogénèse               30 %                    70 %     Bact. méthanogènes

                                 Biogaz (CH4, CO2)

2 Paramètres d’alimentation
  Concentrations des entrants
    Concentration variable selon les entrants
     Boues urbaines Mini : 33 g MS/l, max : 70 g MS/l
                     Moyenne 45 - 50 g MS/l

    Procédés
      • Epaississement statique (Décanteur…)
      • Epaississement dynamique (centrifugeuse, tambours rotatifs, Flottation, table
        d’égouttage…)

2 Paramètres d’alimentation
  Température du réacteur
                                                   Température (°C) Temps de séjour (j)

   Différents types de méthanisation selon    Mésophile        33 - 37              20 - 22
    la température appliquée
                                               Thermophile      > 50                 12 - 14
   Température entre 40°C et 50°C
      Méthanisation instable
      Destruction des bactéries mésophiles
      Développement difficile des bactéries
  thermophiles
                                                                          Zone
                                                                          d’instabilité

2 Paramètres d’alimentation
  Temps de rétention hydraulique ou TRH

2 Paramètres d’alimentation
  Charge organique appliquée

                                             Intrants
                                                  • Conc en gMS/l
                                                  • Q alim en m3/j   Volume
                                                  • % MV =Matières   métha
   Pour une alimentation en BP et BB                 volatiles

    CO design= 2,0 - 2,2 kg MV/j/m3
    Sécurité d’exploit = CO =1,8 kg
    MV/j/m3

   Pour une alimentation en BP
    CO design = 2,5 - 2,8 kg MV/j/m3
    Sécurité d’exploit = CO=2,2 kg MV/j/m3

2 Paramètres d’alimentation
  Rythme d’alimentation

   Recherche d’une régularité (débit) et d’une stabilité (composition) dans le temps
    (Nécessité de stockage si grande variation)

   TRH > 20 j
        Variation Charge organique max +30% d’un jour sur l’autre
        Variation Charge organique max +10% en moyenne sur 4 jours

   TRH < 20 j
         Variation Charge organique max +10% d’un jour sur l’autre

3 Indicateurs de gestion
  Teneur en CH4 et CO2 du biogaz produit

    Caractéristiques du biogaz selon le type de boues en entrée
         • CH4 entre 62 % à 64%
         • CH4 < 55%  réagir

    Première alerte d’un dysfonctionnement = baisse anormale teneur en CH4 dans le
     biogaz
         • Mesure avec analyseur fixe – Echantillonnage paramétrable (4h)
         • Mesure avec analyseur portable une à 2 fois par semaine

3 Indicateurs de gestion
  Diminution de la production de biogaz

                                                        Type de boue          Garantie       Design
     Productions de biogaz en                        Aération prolongée     0,8 - 0,85        0,9
      Nm3/kg MV éliminée                                 Forte charge           0,9            1
                                                        Boue primaire            1             1,1

  La différence est liée au degré d’oxydation de la matière organique
      0,35 Nm3/kg DCO éliminée : Taux de conversion théorique des la matière organique
      DCO de la boue primaire 1,6 kg – 1,8 DCO / kg MV :
          1 kg MV éliminé  1,6 x 0,35 Nm3 = 0,56 Nm3 à 1,8 x 0,35 Nm3 = 0,63 Nm3 de CH4 (soit 1 à 1,1 Nm3 de biogaz)

      DCO de la boue biologique 1,3 – 1,4 kg DCO / kg MV (aération prolongée / faible charge) :
         1 kg MV éliminé  1,4 x 0,35 Nm3 = 0.49 Nm3 de CH4 (soit 0,85 à 0,95 Nm3 de biogaz)

             La baisse de la quantité de biogaz peut aussi être un indicateur d’un
         dysfonctionnement mais pas toujours = variabilité du pouvoir méthanogène
                            des intrants selon le degré d’oxydation

3 Indicateurs de gestion
  Alcalinité, Acides gras volatiles et rapport AGV sur TAC
  Suivi analytique recommandé au minimum 1 fois /sem

    Alcalinité ou TAC : Capacité à résister aux changements de pH qui rendraient le
     milieu acide
              TAC (Alcalinité)   :       2 à 4 g CaCO3/L

    Acides gras volatiles ou AGV sont des acides carbonés courts
     (moins de 6 atomes de C) résultant de l’acidogénèse
               AGV                   :       < 0,5 g CH3COOH/L

    La proportion d’AGV et de TAC doit être équilibrée
     La production d’AGV lors de l’acidogénèse peut conduire à l’acidification du milieu si ce dernier
     n’a pas suffisamment de pouvoir tampon. Les bactéries méthanogènes seront moins actives
              AGV/TAC                    :          < 0,2

3 Indicateurs de gestion
  pH

  pH : 7 to 7.5
      Ajustement possible (chaux,
        soude,…)

  redOx : -200 to -300 mV
      Conséquence de la réaction

 La réponse du pH est en            Zone Optimale
                                     pour la digestion
  décalage et intervient trop
  tard dans le cas d’un
  acidose

3 Indicateurs de gestion
  Teneur en MV des boues digérées et rendement

         • Primaire : 50% à 55% d’élimination
         • Boues biologiques : 30% à 35%  plus l'âge de boue aérée est
           élevé et moins il reste de matières facilement digérables
     Si rendement plus faible que prévu  forte odeur des boues digérées

3 Indicateurs de gestion
  Moussage
    2 types de moussage
           Moussage instable ou transitoire qui se décompose et se reforme du fait de
            l’extraction en continu du digestat (présence de bactéries filamenteuses,
            boues riches en AGV à l’entrée du méthaniseur…)
           Moussage de la flottation de matières à la surface du digestat (Filasses et
            billes de graisses)
    Conséquences : débordement de boues au niveau des vasques et bouchage des
     arrêtes-flammes

                                                          Arrête-flamme

4 Gestion des dysfonctionnements
  Identification de l’origine du dysfonctionnement

                Origine mécanique                Origine biologique
                  (équipement)                       (process)

                                                    Trop forte charge organique appliquée
              Chauffage                                 Hydraulique (à-coups)
              Brassage                                  Concentration non maitrisée
              Entrée d’air                         Alimentation irrégulière
              Ensablement et /ou phénomène de      Présence molécules toxiques ou d’inhibiteurs
               chapeau
                                                    Filamenteuses
                                                    Diminution pouvoir méthanogène
Bien dissocier les origines des conséquences
Quelquefois l’origine se situe bien avant la méthanisation

4 Gestion des dysfonctionnements
  Problème de chauffage
    Usure de la pompe de recirculation  diminution du débit
     avec augmentation de la température en sortie de l’échangeur
     (Risque de cuire les boues > 39°C sur une longue période
       Baisse d’activité des méthanogènes)

    Bouchage des échangeurs  augmentation perte de charge et
     baisse du débit de recirculation des pompes centrifugeuses
               Mesure débit et/ou pression sur les boues digérées
               Curage préventif régulier

    Déperdition calorifique supérieure à celui du design
     (méthaniseur baignant dans la nappe phréatique)
               Redimensionnement du réseau de chauffage

    Mesure de la température erronée (eau et boue) : sonde
     température en bain d’huile, contrôleur

4 Gestion des dysfonctionnements
  Défaut de brassage
 Un bon brassage entre les intrants et la boue digérée contenant les bactéries
 responsables de la méthanogénèse est primordiale
    Rappel type de brassage
     Brassage mécanique 3W/m3 dig( Sterling Halberg)
     Brassage par recirculation de biogaz  5 à 6W/m3 dig (puissance compresseur)
    Origine du problème de brassage
     Cannes d’injection de biogaz détériorées ou bouchées
                    Indicateur de débit / indicateur de pression
     Axe de l’agitateur cassé, pales détériorées ou montées à l’envers
                    Remontée d’intensité en supervision /alarmes
     Mauvais fonctionnement des compresseurs /surpresseurs de biogaz
                    Vérifier l’état des filtres (P d’aspiration)
                    Vérifier les seuils de déclenchement P refoulement 
                     ouverture vanne de décharge)
     Concentration trop importante des intrants – Rhéologie des boues      Indicateurs de débit

4 Gestion des dysfonctionnements
  Entrée importante d’air
    Entrée importante d’air dans le méthaniseur = entrée importante d’O2
     (cas brassage par recirculation du biogaz)
              Milieu n’est plus en anaérobie
              Effet inhibiteur sur les bactéries méthanogènes (Accumulation
                d’AGV, baisse du pH, moussage)
    Méthode de détection = analyseur sur biogaz
             Présence d’azote (balance) dans le biogaz produit        Analyseur
             Recherche du point d’entrée en mesurant O2 à           SEWERIN pour
              différents niveau des conduites de biogaz                 biogaz
    Causes
             Diminution locale de la pression de biogaz dans les réseaux
              ( Accumulation des condensats, encrassement des filtres
              des compresseurs, garde hydraulique)
             Mauvais réglage des pressostats induisant ouverture des
              soupapes de dépression de la coupole

4 Gestion des dysfonctionnements
  Ensablement ou phénomène de chapeau
 Volume utile < volume de design nécessaire pour digérer la CO
  de 2 Kg MV/j/m3 méthaniseur
  RISQUE IMPORTANT  baisse performance

 Ensablement = dépôt de sables en partie basse (perturbation
  du brassage)
           Vérification pouvoir de coupure du dessableur
           Vidange et nettoyage tous les 10 ans

 Phénomène de chapeau = amas de filasses et de flottants en
  partie supérieure (risque bouchage sortie biogaz
            Mise en place strainpress pour sortir les filasse du
             système
            Dilacérateur efficace pour la disponibilité des
             canalisations d’alimentation mais les filasses se
             reforment dans le méthaniseur

4 Gestion des dysfonctionnements
  Traçage au lithium

 Objectif : détermination du volume UTILE du
  méthaniseur : Traçage au lithium

   Lithium = traceur – très hygrophile – ne
   sédimente pas

Mise en œuvre
   1. Isolement total du méthaniseur à tester
   2. Injection d’une quantité continue de lithium en une
       seule dose préalablement dilué
   3. Prise d’échantillons à intervalle de temps variable les
       14 premières heures dans la recirculation puis toutes
       les heures pdt 24 h

4 Gestion des dysfonctionnements
  Traçage au lithium
   Résultats
      Volume utile calculé à partir de la concentration obtenue et de la quantité
       de lithium introduit
      Evaluation de l’efficacité du système de brassage = temps pour atteindre une
       concentration de lithium stable
                                                Concentration lithium (mg/l)
             6
                                                                                    Concentration
             5
                                   Concentration stable
             4

             3

             2

             1

             0
                 0   120 min 200        400         600                800   1000        1200       1400
                                                          Durée en minutes

             Test lithium réalisé sur les méthaniseurs de la STEU de Strasbourg (V unitaire de 4300 m3 )

4 Gestion des dysfonctionnements
  Entretien – Vidange des méthaniseurs

   Etapes de l’arrêt d’un méthaniseur
      Inactiver la biomasse (Arrêt de l’alimentation
       ou abaissement de la température

4 Gestion des dysfonctionnements
  Problèmes d’origine biologique

    Charge organique trop importante  indigestion

    Alimentation du digesteur avec de la boue fermentée (pH 100mg/L ,NH4+>2 g/L avec un pH >7,8

    Présence de molécules toxiques (Métaux lourds, cyanure, chlorure…)

    Prolifération de bactéries filamenteuses dans les bassins biologiques

5. Conclusions

   Méthanisation = process avec beaucoup d’avantages
       MAIS dépendant de la « bonne santé » de la biologie = sensible

   Exploitant analogue à un diététicien
       Application d’un régime équilibré sans excès (pas d’indigestion)
       Fournir des aliments frais (pas de stockage trop long)
       Attentifs aux réactions du méthaniseur pour revoir son régime

   Mesures préventives plutôt que mesures correctives
       Suivi régulier des indicateurs primordial
       Maintien dans une plage de fonctionnement adéquat

MERCI A TOUS POUR
 VOTRE ATTENTION