Valorization of the biomass and co-products of the Moroccan territory via pyrolysis and methanization for energy, agronomic and environmental applications | Valorisation de la biomasse et co-produits du territoire Marocains via la pyrolyse et la digestion anaérobie pour des applications énergétique, agronomique et environnementale

English. Currently, the worldwide growth population has led to several environmental and societal challenges: rising global demand for food and energy, industrial and green revolutions, use of fossil fuels, increasing concentrations of greenhouse gases in the atmosphere, global climate change, demand for renewable energy sources, etc. The concept of sustainable development through the production of renewable energy and alternative value-added products through the valorization of agricultural residues and biomasses is a promising route for this environmental and energetic issues. The objectives of my thesis project were the following ones: 1) valorization of Moroccan biomass & residues by pyrolysis process for objective to produce activated biochars for effluent detoxification and agriculture application , 2) valorization of Moroccan residues using anaerobic digestion in CSTR lab pilot for biogas production, 3) coupling of anaerobic digestion (AD) and pyrolysis for maximizing energy recovery from pyrolysis of solid digestate, and 4) coupling liquid digestate and biochar (from solid digestate) for agronomic purpose. The results demonstrated that the “one pot activation/pyrolysis approach” of red macro-algae residue and olive pomace using chemical and mechanical activations could improve the properties of biochar through generating surface functional groups and specific surface area compared to inactivated ones. In parallel the results also showed the efficiency of activation depends on the nature and type of biomass; the olive pomace biochar activated by ball milling showed the most promising result with a maximum adsorption capacity of methylene blue of 32 mg/g compared to 3 mg/g for the inactivated one. The continuous anaerobic co-digestion of Quinoa residues (45 %VS) with wastewater sludge (55 %VS) demonstrated a good stability and a methane production of 219 NL CH4/ kg VS. The coupling of AD and pyrolysis through pyrolysis of solid digestate showed a potential opportunity to maximize energy through the production of syngas and bio-oils which showed a calorific value range between 11-13 MJ/Nm3 and 28-34 MJ/kg, respectively. The coupling of biochar and liquid digestate (170 kg UN/ha) depicted potential use as agronomic support for growing plants, this combination did not negatively impact relative seed germination and improved aerial dry biomass production up to 27.5 % (50 tons/ha) and 25 % (25 tons/ha) for wheat and tomato plants respectively, compared to the trial using liquid digestate alone. Finally, co-application of biochar with liquid digestate significantly increased the ammonia volatilization by 64 % compared to the trial using liquid digestate alone but had no impact on C and N mineralization.

French. Actuellement, la croissance de la population mondiale a créé plusieurs défis environnementaux et sociétaux : augmentation de la demande mondiale de nourriture et d'énergie, révolutions industrielle et verte, utilisation de combustibles fossiles, augmentation des concentrations de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, changement climatique mondial, demande de sources d'énergie renouvelables, etc. Le concept de développement durable par la production d'énergie renouvelable et de produits alternatifs à valeur ajoutée par la valorisation des résidus agricoles et de la biomasse est une voie prometteuse pour répondre à ces questions environnementaux et énergétiques. Les objectifs de mon projet de thèse étaient les suivants : 1) valorisation de la biomasse/ résidus marocains par un procédé de pyrolyse pour produire du biochar activé pour la détoxification des effluents et application agronomique, 2) valorisation des résidus marocains par digestion anaérobie en pilote laboratoire pour la production de biogaz, 3) le couplage de la digestion anaérobie et de la pyrolyse pour maximiser la récupération d'énergie par pyrolyse du digestat solide, et 4) le couplage du digestat liquide et du biochar (produit à partir du digestat solide) à des fins agronomiques. Les résultats ont montré que le concept "one pot activation/pyrolyse" avec des activation chimio-mécaniques des résidus de macro-algues et de grignons d'olive pouvait améliorer les propriétés du biochar en générant des groupements fonctionnels à la surface de biochar et une augmentation de la surface spécifique par rapport aux biochars non activés. En parallèle, les résultats ont également montré que l'efficacité de l'activation dépend de la nature et du type de biomasse. Le biochar de grignons d'olive activé par broyage à billes a donné le meilleur résultat avec une capacité d'adsorption du bleu de méthylène de 32 mg/g comparée à 3 mg/g pour le biochar non activé. La co-digestion anaérobie en mode continue des résidus de Quinoa (45 %VS) avec les boues d'épuration (55 % VS) a montré une bonne stabilité et une production de méthane de 219 NL CH4/ kg VS. Le couplage de la digestion anaérobie et la pyrolyse du digestat solide a permis de maximiser la production de l'énergie grâce à la production de syngaz et de bio-huiles, dont le pouvoir calorifique varie respectivement entre 11-13 MJ/Nm3 et entre 28-34 MJ/kg. Le couplage du biochar et du digestat liquide (170 kg UN/ha) a montré un potentiel pour substituer des fertilisants organo-minéraux pour la culture de plantes. La combinaison biochar/digestat liquide n'a pas eu aucun impact négatif sur la germination relative des graines et a amélioré la production de biomasse sèche aérienne jusqu'à 27,5% (50 tonnes/ha) et 25% (25 tonnes/ha) pour le blé et la tomate respectivement, comparé au digestat liquide seul. Enfin, la co-application de biochar avec du digestat liquide a considérablement augmenté la volatilisation de l'ammoniaque de 64% par rapport à l'essai utilisant uniquement du digestat liquide, mais n'a eu aucun impact sur la minéralisation du C et du N.