Contrôle et conduite des digesteurs anaérobies Control and utilisation of anaerobic digestors

Résumé

L'utilisation de la digestion anaérobie comme outil de dépollution présente de nombreux intérêts. la méconnaissance du processus a conduit à des incidents de fonctionnement qui ont induit une méfiance vis-à-vis du processus et une résistance à son implantation.

Les connaissances acquises ces quinze dernières années sur la digestion anaérobie ont permis de définir la nature des paramètres à contrôler pour surveiller l'écosystème et leurs plages de valeurs à respecter pour que le processus fonctionne bien.

Les paramètres sont de deux types : ceux qui vérifient que les conditions de fonctionnement imposées soient bien réalisées (comme les débits de liquide, la température, la concentration en DCO de l'alimentation) et ceux qui permettent de contrôler l'état biologique de l'écosystème (le pH, la teneur en H₂ dans tes gaz, la concentration en acides gras volatils...).

Les variations de certains de ces paramètres sont directement couplées à la modification du fonctionnement des microorganismes, d'autres ne sont que les résultats de la variation d'autres paramètres et n'ont donc pas la même importance pour exprimer les variations observées dans l'écosystème microbien.

Ces paramètres peuvent dans la plupart des cas, être mesurés de manière simple par des capteurs, ce qui permet d'envisager des contrôles en ligne et une conduite optimale de ces procédés. Ceci doit permettre de meilleures performances, en fonctionnement plus stable du procédé, notamment lors des surcharges organiques.

Le choix d'un (ou plusieurs) paramètres de contrôle doit répondre à certains critères, comme un temps de réponse court avec un maximum de variation. Après l'introduction d'une surcharge organique sur un filtre anaérobie de laboratoire, adapté sur vinasse de vin, nous avons comparé les variations de ces différents paramètres.

La pression partielle en H₂ et le débit de gaz sont détectés rapidement avec une variation d'amplitude de 50 pour H₂ et de 4 à 5 pour le débit. Dans la phase Liquide, les variations de pH et la teneur en carbone organique total apparaissent plus tardivement.

Lorsque les paramètres de contrôle atteignent des valeurs critiques, il est nécessaire d'engager des actions pour ramener l'écosystème microbien vers un fonctionnement normal. Celles-ci sont principalement, la diminution ou l'arrêt du débit d'alimentation ou l'addition d'une base.

La nature et l'amplitude de ces actions sont définies à partir d'algorithmes de types boîte noire ou par des modèles plus structurés. Actuellement la commande adaptative fait l'objet de recherches importantes. C'est à travers ces algorithmes que se situe l'introduction des critères de conduite optimale.

Keywords:

• Dépollution,
• méthane,
• conduite,
• surcharge

Abstract

Utilization of anaerobic digestion in waste treatment is an extremely interesting method. Its main advantages are in its low energy requirement, a production of methane readily utilizable "in situ" and a very reduced production of microorganisms.

The lack of knowledge concerning this process led formerly to more or less serious breakdowns owing mainly to the organic overload of various origins. They created a certain suspicion towards this process and delayed its development.

For the past fifteen years, research has been carried out on the microbial ecosystem, its kinetics and its modelling. It has permitted to determine the different parameters involved and the values necessary to obtain good operating conditions.

These parameters can be divided into two categories : those indicating whether the recommended operating conditions are fulfilled, and those enabling to control the microbial ecosystem.

The former concern

- in the effluent : the pH, the COD concentration, the suspended solid content and the flow rate;

- the temperature, the liquid level, the recirculating flows and the volatile suspended solid (VSS) content (for the completely stirred tank reactor - CSTR -) in the digestor.

The parameters thanks to which the kinetics of the microbial ecosystem can be controlled are :

- for the liquid phase : the pH, the volatil fatty acids (VFA), the bicarbonate and the COD concentrations;

- for the gas phase : the flow rate, the gas composition (CO₂/ CH₄) and the hydrogen content.

Variations in certain of these parameters (VFA, H₂) are direcly related to changes in the microorganism activity or result from the variation in factors such as the gas composition, the pH, or the bicarbonate. In the expression of the variations in the microbial ecosystem these parameters are less important.

In most cases, these parameters can be measured by sensors which allow an optimal automatic control of the digestor.

The development of an optimal automatic control should improve the performance of methane-producing conditions, especially at starting point.

The choice of one or several parameters for an automatic control depends on several factors, such as its sensivity to variations and its response time to an organic overload.

The last two factors were measured for different parameters after an experimental overload of a 6 liter anaerobic filter used in the treatment of wine vinasse.

Partial hydrogen pressure and gas flow rate were the first parameters to change. The variation coefficients varied around 50 and 4 to 5 respectively. In liquid the variation in pH and total organic carbon (TOC), which, like COD, indicates the amount of organic matter, occured later. In our study, the pH varied little and TOC was multiplied by 3. The variations in gas composition, in VFA concentration and alkalinity due to bicarbonate were the last factors detected.

Utilization of hydrogen as a controlling parameter is therefore interesting because its concentration varies rapidly and more largely than the one of the other parameters. Moreover, it is much involved in the microbial ecosystem equilibrium.

When the controlling parameters reach critical values, operating conditions have to be modified to restore a good microbial activity.

The process can be modified :

- by the reduction or the stopping of the input rate;

- by the addition of a base;

- by the recycling of methane atone;

- or by the increase in the microorganism concentration in CSTR.

The nature and significance of these actions are defined on the basis of the data collected by the recording device. These values can be processes by black-box type algorithms, or by simple models derived from cognitive models. At present, research in adaptative control is in progress.

In these algorithms, we consider the optimal criteria leading to a stable process with either a maximum methane production, or a minimal COD (or TOC) in the output, or with both.

Keywords:

• Depollution,
• methane,
• control,
• overload