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

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.