Study of the Impact of Aerobic Pretreatment on Anaerobic Digestion of Food Waste Henry Fisgativa
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Study of the impact of aerobic pretreatment on anaerobic digestion of food waste Henry Fisgativa To cite this version: Henry Fisgativa. Study of the impact of aerobic pretreatment on anaerobic digestion of food waste. Other. Université Rennes 1, 2016. English. NNT : 2016REN1S095. tel-01489559 HAL Id: tel-01489559 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01489559 Submitted on 14 Mar 2017 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. ANNÉE 2016 THÈSE / UNIVERSITÉ DE RENNES 1 sous le sceau de l’Université Bretagne Loire pour le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE RENNES 1 Mention : Chimie Ecole doctorale Science de la Matière présentée par Henry Fisgativa Préparée à l’unité de recherche OPAALE Optimisation des procédés en agriculture, agroalimentaire et environnement IRSTEA Thèse soutenue à Rennes Le 13 Décembre 2016 devant le jury composé de : Geneviève FEUILLADE-CATHALIFAUD Etude de l’impact d’un Professeur, ENSIL Limoges / rapporteur Pierre BUFFIERE prétraitement aérobie Professeur, INSA Lyon / rapporteur Teresa GEA sur la digestion Professeur, Université Autonome de Barcelone / examinateur anaérobie de déchets Hélène CARRERE Directrice de recherche, INRA de Narbonne / examinateur de cuisine Patrick DABERT Directeur de recherche, Irstea de Rennes / examinateur Maxime ROUEZ Ingénieur R&D, Suez Environnement /examinateur Anne TREMIER Ingénieur de Recherche (HDR), Irstea de Rennes / directrice de thèse Résumé Compte tenu de la forte incitation réglementaire à la valorisation de déchets de cuisine, le développement de procédés de méthanisation à petite échelle (10 à 100 T de déchets par an) pourrait voir un essor potentiellement important. Cependant, la simplicité (préparation limitée des substrats, peu d’apport d’eau) et la robustesse (stabilité) du procédé représentent des enjeux cruciaux pour valider cette échelle de fonctionnement. Dans le procédé de méthanisation, l’étape d’hydrolyse reste la plus limitante due, d’une part, à une lente cinétique, qui provoque une dégradation non uniforme des carbohydrates structuraux (p.ex. la cellulose), et d’autre part, d’une transformation rapide des composants facilement biodégradables, ce qui peut générer une accumulation d’acides gras volatils, conduisant à une inhibition de l’activité méthanogène. Dans l’objectif de surmonter les problèmes liés à l’étape d’hydrolyse, de nombreux travaux ont été menés sur les prétraitements mécaniques, thermiques, ou chimiques de la matière organique. En comparaison, l’utilisation d’une pré-étape aérobie a été relativement peu étudiée. Un prétraitement aérobie pourrait aider à éliminer les fractions les plus biodégradables pour limiter les risques d’acidose du milieu et à mieux dégrader certaines fractions de la matière organique plus résistante. Toutefois l’utilisation d’un prétraitement aérobie peut provoquer une oxydation excessive des déchets, limitant leur potentiel méthanogène. Par conséquent, il est indispensable de bien maitriser les conditions d’aération. Ce travail de thèse avait donc l’objectif de valider l’impact du prétraitement aérobie dans la digestion anaérobie de déchets de cuisine et de suggérer quel mode de mise en œuvre du prétraitement aérobie il faudrait préconiser. Mot clés : déchets de cuisine, digestion anaérobie, prétraitement aérobie, acidification, population microbien, exoenzymes Abstract Given the strong incentive to source separation of organic fractions of household waste, the development of anaerobic processes on a small scale (10 to 100 t of waste per year) could see significant growth. However, to validate this scale of operation, stability and efficiency of the treatment process will represent crucial issues. Concerning anaerobic processes, the hydrolysis step is the limiting step for two reasons. First, due to relatively slow kinetics, non-uniform degradation of structural carbohydrates (e.g. cellulose) may be produced. On the other hand, the rapid transformation of easy biodegradable compounds produces a rapid production of volatile fatty acids, which may lead to their accumulation, inhibiting the methanogenic activity. To overcome the problems associated with the hydrolysis step, many studies have been conducted on the mechanical, thermal or chemical pre-treatment of the organic matter introduced into the digesters. In comparison, the use of an aerobic biological pre-stage has been relatively less studied. Aerobic degradation can indeed eliminate more biodegradable fractions to reduce the risk of acidosis in the digester and enhance the degradation of some recalcitrant organic fraction. However the duration of the aerobic treatment should be well managed not to oxidize excessively the methanogenic potential of the pre-treated organic waste. The aim of the thesis was be to validate the effectiveness of a pre- treatment to improve the anaerobic digestion of food waste and to suggest the best ways to implement this pre-treatment. Keywords : food waste, anaerobic digestion, aerobic pre-treatment, acidification, microbial population, exoenzymes Remerciements Je voudrais tout d’abord remercier Dieu pour être la source qui nourrit mon esprit, pour m’aider à trouver la force nécessaire d’affronter toutes les épreuves rencontrées au long de ces trois ans et pour m’avoir donné l’opportunité de croiser dans mon chemin toutes les personnes qui ont fait cette expérience possible. Tout ce travail de thèse n’aurait pas été possible sans mon encadrante et directrice de thèse Anne Tremier, merci pour la confiance que tu m’as accordée pour réaliser cette thèse, merci pour ta patience, pour toutes les heures de relecture et de corrections, merci pour m’avoir aidé à me focaliser. Sans cela, je pense que je serais encore en train de faire toutes les analyses possibles pour caractériser les déchets… merci aussi d’avoir partagé avec moi ta manière organisée et logique d’aborder les différentes problématiques, j’ai toujours apprécié la manière dont mes écrits s’amélioraient substantiellement après tes suggestions de réorganisation. Enfin, merci pour tout ton encouragement et pour avoir été toujours présente pendant ces trois ans de travail. Je souhaite remercier aussi Patrick Dabert, mon directeur pendant les premiers mois de thèse, pour m’avoir contaminé de ta passion pour le monde de la microbiologie, un monde fascinant qu’il me reste encore à découvrir. Merci aussi à Nicolas, Julie B., Jean-Philippe., Jean-Claude, Mylène, Sylvie, Patricia et Sophie pour m’avoir aidé dans la collecte, tri et caractérisation des déchets de cuisine. J’espère que les poules en sac plastique, les courses des asticots ou les odeurs de crevette en voie de décomposition ne vous ont pas trop dérangés. Je remercie aussi Céline, Anne, Axelle, Pascal, Cyril, Julie B. et Guillaume pour leur aide dans les pilotes expérimentaux. Je tiens ensuite à remercier Pierre Buffière et Geneviève Feuillade d’avoir accepté d’évaluer mon travail de thèse en tant que rapporteurs et membres du jury de soutenance, ainsi que les examinateurs Teresa Gea, Hélène Carrère, Patrick Dabert et Maxime Rouez. De la même manière, je remercie Rémy Bayard, Laurent Mazéas, Pascal Peu, Hélène Carrère et Patrick Dabert pour avoir participé aux discutions autour de ce travail lors des différents comités de pilotages. Un grand merci à Amine et Marie qui ont abattu beaucoup de travail lors de leurs stages. Merci Amine pour ton aide au laboratoire, pour ton engagement au travail et pour ta grande curiosité scientifique. Les enzymes hydrolytiques ont été bien explorés grâce à toi. Merci Marie pour tout ton travail au pilote, merci d’avoir partagé avec moi les moments d’étonnement chaque fois qu’on trouvait des résultats intéressants (peut être on est célèbres au Japon ??), merci de m’avoir encouragé pour maintenir le rythme de travail la dernière année de thèse et pour ton travail si clair (cahier de labo parfait, organisation des analyses superbes et un excellent rapport de stage). Je remercie aussi toute l’équipe de l’Irstea Rennes, qui, avec sa bienveillance et bonne ambiance, ont fait que le travail de thèse a été très agréable. Merci donc à Isabelle (pour ton aide sympatique 5 dans la partie administrative), Brigitte M. (pour ton sourire à toutes les heures de la journée, le meilleur accueil), Fabrice E. (aussi pour ton sourire contagieux !), Christine (pour ta personnalité unique, pleine de sensibilité et de vigueur à la fois, tu es admirable), Brigitte O., Claire, Lynda, Thierry, Fabrice B., Amaury, Marie-Line, Anne-Marie, Laurence, Fabrice G., Romain G. et j’ai en passe. Mes remerciements aussi à tous les « Jeunes Chercheurs » qui sont le cœur de la bonne ambiance à l’Irstea. Merci donc à Axelle (merci pour la compagnie des dernières semaines de thèse et pour tes « Hola qué tal ? »), Samuel (musicien exceptionel !), Romain C. (colocation et covoiturage de « Ayy hombre ! »), Cyril (pour ton travail exemplaire et pour ton talent en recrutement), Ruzica (merci pour ta tranquilité, je te considère presque comme une sœur), Carlos Andrés (un poco de Colombia en Rennes !), Faustine, Etienne, Lucas, Jordan,