Etude, Modélisation et optimisation d'un procédé de traitement des lisiers de porcs par couplage de la digestion anaérobie et du traitement biologique de l'azote

English. Industrialization of animal production (pigs, poultry, ...) led to a concentration in specific localised regions (Bretagne, Pays de Loire). This concentration participated in the pollution of fresh water by nitrates. So, treatment processes, including biological processes of nitrification/denitrification, were developed to reduce the nitrogen load applied locally, At the same time, due to the increasing energy costs and in order to reduce the greenhouse gas emissions, anaerobic digestion of livestock wastes is also a very interesting alternative, but not affecting the nitrogen concentration. In this context, the development of a process combining both anaerobic digestion and biological nitrogen removal could allow converting organic matter into a valuable energy while respecting the environmental constraints as regards nitrogen, reducing the energy costs at the farm scale. The management of the interactions between aerobic and anaerobic processes (effect of nitrogenous compounds on anaerobic digestion) and the optimisation of organic matter use (competition between anaerobic digestion and denitrification) are the main technical and scientific issues of this project. One of the ways to optimize the process is to obtain and control the nitrate short-cut (less oxygen consumption and more biodegradable matter available). In order to reach these challenges, two parallel and complementary approaches have been considered: an experimental approach and a numerical approach. Experimental work, carried out on a pilot process, highlighted (i) the absence of inhibition by ammonia into the digester, (ii) the slow kinetics of anaerobic degradation of pig manure and (iii) the feasibility to obtain and control nitrate short-cut by oxygen inflow reduction. Moreover, this work highlighted the relevance of a process including an addition of a part of the raw influent directly into the aerobic reactor (bypass of the digester). The modelling framework resulted in a combination of the Activated Sludge Model No. 1 (ASM1) and Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) through two interfaces. Mathematical validation of the model and sensitivity analysis highlighted the importance of acetogenesis and methanogenesis parameters. The model was set-up with experimental values obtained form pilot experiments and batch trials. The use of this model allowed a better understanding of the interactions between aerobic and anaerobic processes and to a better definition of the operating parameters to optimize the use of organic matter (retention time and organic load), including conditions to obtain nitrate short-cut. These results have also confirmed the experimental results. Thus, from these results, a process treatment combining an aerobic and anaerobic treatment was developed. This process, with a bypass ratio of 30% and a nitrate short-cut obtaining by oxygen inflow reduction, allows to remove 80% of total nitrogen with a methane production of 4 Nm3.m-3 manure. In terms of energy balance, this represents a positive balance equal to 27 kWh.m-3 manure.

French. L'industrialisation de l'élevage (porcs, volailles,…) a entraîné une spécialisation et une concentration de la production dans certaines zones (Bretagne, Pays de Loire). Cette concentration des élevages a participé à la pollution de l'eau par les nitrates et les obligations réglementaires ont entraîné le développement de procédés de traitement afin de réduire la charge azotée, notamment par les processus biologiques de nitrification/dénitrification. Parallèlement, face à l'augmentation des coûts énergétiques et afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre, la digestion anaérobie des déjections animales, et plus particulièrement leur valorisation sous forme de biogaz, est également une alternative très intéressante, mais n'affectant pas les quantités d'azote. Dans ce cadre, le couplage des procédés et la valorisation de l'énergie produite permettrait alors une réduction importante des coûts d'élimination de l'azote. La maîtrise des interactions entre les procédés aérobie et anaérobie (influence des formes de l'azote sur la digestion anaérobie) et l'optimisation de l'utilisation de la matière organique (compétition entre la digestion anaérobie et la dénitrification) représentent les principaux enjeux techniques et scientifiques de cette thèse. Une des voies d'optimisation est l'obtention et le maintien du shunt des nitrates par arrêt de la nitrification au stade nitrite et dénitrification du nitrite (apport en oxygène moindre et économie de matière biodégradable). Afin de répondre à ces enjeux, deux approches parallèles et complémentaires ont été menées : une approche expérimentale et une approche numérique. Les travaux expérimentaux, réalisés sur un pilote du procédé, ont permis de souligner (i) l'absence d'inhibition par l'ammoniac dans le digesteur, (ii) la lenteur des cinétiques de dégradation anaérobie du lisier de porcs et (iii) la faisabilité de l'obtention et du maintien d'un shunt des nitrates par limitation de l'apport en oxygène dans des conditions pré-établies grâce au modèle. De plus, ces travaux ont permis de mettre en avant la pertinence d'une filière réalisant un apport partiel de l'effluent directement dans le réacteur aérobie (bypass du digesteur). Les travaux de modélisation ont abouti au couplage des modèles Activated Sludge Model n°1 (ASM1) et Anaerobic Digestion Model n°1 (ADM1) via la création de deux interfaces. La validation mathématique et l'étude de sensibilité du modèle ont permis de mettre en avant l'importance des paramètres régissant les étapes de l'acétogenèse et de la méthanogenèse. Au travers de son calage sur des valeurs expérimentales obtenues sur pilote et en essais batch, le modèle a également permis de mieux comprendre les interactions entre les processus/procédés et de définir les paramètres de fonctionnement permettant une optimisation de l'utilisation de la matière organique (temps séjours et charge organique) et notamment des conditions d'obtention du shunt des nitrates. Ces résultats ont également permis de confirmer les résultats expérimentaux Ainsi, sur la base de ces résultats, une filière de traitement couplant un traitement aérobie et un traitement anaérobie a été développée. Cette filière, présentant un taux de bypass de 30% et réalisant le shunt des nitrates par limitation de l'apport en oxygène, permet une élimination de 80% de l'azote total entrant pour une production de 4 Nm3CH4.m-3 lisier. En termes de bilan énergétique cela représente un excédent brut de 27 kWh.m-3 lisier.