Analyse expérimentale et par simulation de la production de biogaz à partir de boues d'épuration de boissons pour la production d'électricité

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 9107 (2022) Citer cet article

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Cette étude a évalué le potentiel de production de biogaz et de méthane des boues d'épuration générées par l'industrie des boissons. L'optimisation du potentiel de production de biogaz d'un seul digesteur anaérobie alimenté a été réalisée à différentes températures (25, 35 et 45 ℃), pH (5,5, 6,5, 7,5, 8,5 et 9,5) et rapport d'alimentation organique (1 :3, 1:4, 1:5 et 1:6) avec un temps de rétention hydraulique de 30 jours. La productivité du méthane et du biogaz des boues d'épuration des boissons en termes de solides volatils (VS) et de volume a été déterminée. La production maximale de biogaz (15,4 m3/g VS, 9,3 m3) et la teneur en méthane (6,3 m3/g VS, 3,8 m3) ont été obtenues en termes de VS et de volume à 8,5, 35 ℃, 1:3 de pH optimal, température , et le taux de charge organique, respectivement. De plus, la teneur maximale en méthane (7,4 m3/g VS, 4,4 m3) et le potentiel de production de biogaz (17,9 m3/g VS, 10,8 m3) ont été atteints quotidiennement à température ambiante. Le total du biogaz et du méthane à 35 ℃ (30 jours) est respectivement de 44,3 et 10,8 m3/g VS, tandis qu'à 25 ℃ (48 jours) il est passé à 67,3 et 16,1 m3/g VS, respectivement. De plus, le potentiel de production d'électricité du biogaz produit à température ambiante (22,1 kWh à 24 jours) et à température optimale (18,9 kWh) à 40 jours a été estimé. Le modèle simulant un HRT optimal (25 jours) en termes de production de biogaz et de méthane à température optimale était en bon accord avec les résultats expérimentaux. Ainsi, nous pouvons conclure que les boues d’épuration industrielles des boissons présentent un énorme potentiel pour la production de biogaz et l’électrification.

De nos jours, divers déchets sont recyclés de manière durable en produits utiles, par exemple des briques économes en énergie1, des emballages2, des usages agricoles3, et constituent différents systèmes bioénergétiques4,5 tels que le bioéthanol5,6, le biodiesel7,8, le biogaz9 et la production de briquettes10. Pour permettre le développement durable de l’approvisionnement énergétique et atténuer les émissions de gaz à effet de serre, la production de biogaz par digestion anaérobie à partir de diverses matières premières telles que les cultures, les résidus et les déchets (déchets industriels, agricoles et municipaux) joue un rôle clé11. La production de biogaz à partir de boues industrielles présente plusieurs avantages. En plus de la production durable d'énergie biogaz, il présente également l'avantage de traiter les déchets organiques. De plus, le développement de techniques améliorées de biogaz stimulera encore l'utilisation du biogaz pour des applications polyvalentes, notamment dans le secteur de la cuisine et des transports12. La digestion anaérobie est une séquence du processus biologique par lequel des micro-organismes convertissent les matières organiques en biogaz en l'absence d'oxygène. Le biogaz est composé d'environ 60 pour cent de méthane (CH4), 40 pour cent de dioxyde de carbone (CO2) et des traces d'autres gaz, par exemple de la vapeur d'eau (H2O) et du sulfure d'hydrogène (H2S). Ainsi, la digestion anaérobie peut jouer un rôle important dans la résolution de toutes les préoccupations mentionnées ci-dessus qui affligent les pays sous-développés et en développement (c'est-à-dire la gestion de l'énergie et des déchets) tout en augmentant simultanément la productivité agricole.

Dans les études précédentes de Ngoc et Schnitzler (2009)13 et Goňo et al. (2013)14 ont rapporté que le biogaz produit à partir de la fermentation peut être brûlé pour générer de la chaleur et de l'électricité (CHP) et de l'éclairage pendant les processus de production. Les systèmes de biogaz contenant du biogaz de bonne qualité peuvent être utilisés comme source d’électricité, ce qui est très bénéfique pour la protection de l’environnement et le développement. Les effluents de l'industrie alimentaire et des boissons sont contaminés par des métaux toxiques, qui peuvent nuire à la santé humaine sous forme de maladies aiguës ou chroniques15,16. Les millions de gallons d’eaux usées qui transitent chaque jour par les usines de traitement contiennent des centaines de tonnes de biosolides. Selon le rapport de l'USEPA (1979), les biosolides génèrent du biogaz par digestion anaérobie, qui peut produire 55 à 70 pour cent de méthane et 25 à 30 pour cent de dioxyde de carbone17. Néanmoins, la production de biogaz à partir de déchets de biomasse et son utilisation à des fins énergétiques restent un défi en raison des propriétés physiques et chimiques complexes des déchets organiques, qui affectent les voies métaboliques et la teneur en méthane. Par conséquent, l’attention s’est concentrée sur les opportunités d’amélioration supplémentaire du rendement et de la qualité du biogaz18. Les boues d’épuration constituent donc le principal domaine de recherche de la communauté scientifique, en particulier dans l’industrie agroalimentaire. Selon Sreekrishnan et coll. (2004) signalent que les matières premières nécessitent parfois un prétraitement pour augmenter le rendement en méthane dans le processus de digestion anaérobie16. Le prétraitement décompose la structure organique complexe en molécules plus simples qui sont alors plus sensibles à la dégradation microbienne. De plus, le rendement et la teneur en méthane du biogaz peuvent être améliorés par l'utilisation de produits chimiques (par exemple, CaO2) pendant le processus de prétraitement, ce qui permet une décomposition et une dégradation plus poussées des boues19,20.