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Évaluation des technologies de pré-traitement des boues pour améliorer l'efficacité de la digestion anaérobie: bilans massique et énergétique et émissions de gaz à effet de serre.

Pilli, Sridhar (2015). Évaluation des technologies de pré-traitement des boues pour améliorer l'efficacité de la digestion anaérobie: bilans massique et énergétique et émissions de gaz à effet de serre. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 436 p.

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Résumé

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La quantité considérable de boues produites chaque année à travers le monde est un problème environnemental croissant pour les usines de traitement des eaux usées (STEPs). Le coût de la gestion des boues représente environ 50 à 60% du montant total d’exploitation des usines de traitement des eaux usées. De plus, au cours du traitement des boues (élimination et/ou réutilisation), la matière organique est convertie en dioxyde de carbone (CO2), en méthane (CH4) et en oxyde nitreux (N2O), en fonction des conditions environnementales. Le CO2, le CH4 et le N2O sont les principaux gaz à effet de serre (GES). Le niveau critique du réchauffement planétaire et les changements climatiques obligent les industries et les municipalités à quantifier les émissions de GES provenant de toutes les sources. Par conséquent, le traitement des boues est devenu un défi important dans l’élimination des déchets. La digestion anaérobie (DA) est la technologie la plus rentable et la plus durable pour la gestion des boues. Afin d’accroître la matière organique biodégradable présente dans les boues et d'augmenter l'efficacité de la DA, un prétraitement de ces rejets est nécessaire. Des chercheurs ayant évalué différentes technologies de prétraitement (l’ultrasonication, l’oxydation Fenton et le prétraitement thermique) ont conclu que la production de biogaz issue de ces prétraitements est améliorée comparativement à ce qui est obtenu avec des boues non traitées. Cependant, il n'est pas encore certain que l’augmentation de la production de biogaz équivaut à l’énergie d’entrée (requise) lors du prétraitement des boues avant la DA. Ainsi, l’originalité et le but principal des travaux de cette thèse sont d'évaluer l’efficacité des technologies de prétraitement (ultrasonication, thermique, prétraitement Fenton), tout en tenant compte de l'énergie consommée et des émissions de GES produites. L’effet de l’augmentation de la température durant l’ultrasonication de la boue sur l'énergie nette (énergie de sortie-énergie d’entrée) ainsi que sur les émissions de GES a été déterminé. De plus, l’ultrasonication des boues primaires, secondaires et mixtes à différentes concentrations de solides totaux (ST) et une DA ont été effectuées à l’échelle du laboratoire afin d’évaluer la dégradation des matières solides et la production de méthane. L'accroissement de la température des boues a eu un effet positif sur l'énergie nette et sur les émissions de GES. La dégradation des matières a été beaucoup plus rapide pour les boues traitées par ultrasons pendant les cinq premiers jours de la DA. La production cumulative de méthane a été plus pour les boues secondaires traitées aux ultrasons. Le bilan énergétique a révélé que l'énergie nette maximale était de l’ordre de 7,89 kWh/Mg de solides secs totaux (SST), et le ratio d’énergie était de 1,0 à 31,45 g ST/L pour les boues secondaires traitées aux ultrasons. Le bilan de l’énergie employée pour le prétraitement thermique a été effectué à différentes concentrations de ST (1, 2, 3 et 4% (p/v)) et a permis de remarquer que l'énergie nette était positive pour les boues prétraitées par voie thermique lorsque la concentration en solides totaux était supérieure à 1,5% (p/v). Les émissions de GES ont également été réduites due à l’effet du prétraitement thermique. L'énergie nette était positive et le ratio énergétique était supérieur à 1 pour les boues secondaires et mixtes soumises au prétraitement thermique et ce, pour des concentrations en ST de 2, 3 et 4%. Pour les boues secondaires à 30 g ST/L, les émissions de GES pour les échantillons prétraités thermiquement et ceux du contrôle ont été estimées à 73,8 kg de CO2 équivalent/Mg de SST et à 350,2 kg CO2 équivalent/Mg de SST, respectivement. Le bilan masse-énergie a révélé que le procédé d’oxydation Fenton suivi d'une digestion mésophile a produit une énergie nette et un rapport d'énergie plus élevé comparativement à la digestion thermophile. Les émissions de GES ont été diminuées dans ce contexte, et la réduction la plus élevée a été observée pour un temps de rétention (TR) de 20 jours au cours de la DA en condition mésophile. Le bilan énergétique a démontré que l'énergie nette a augmenté avec ce procédé (procédé 2, prétraitement par le procédé Fenton suivi d'une DA). Pour le procédé 3 (procédé 2 suivi d’un prétraitement par le procédé Fenton du digestat produit au cours du procédé 2 accompagné d’une DA) et le procédé 4 (procédé 1 (la DA des boues) avec un prétraitement par le procédé Fenton du digestat produit au cours du traitement 1 suivi d’une DA) une augmentation nette de l’énergie par rapport au processus témoin a été mise en évidence. Les émissions minimales de GES observées étaient de 128 kg CO2 équivalent/Mg de SST au niveau du procédé 2. Le prétraitement thermique a été le plus bénéfique en termes de consommation énergétique nette et d’émissions de GES comparativement aux ultrasons et au prétraitement Fenton.L'ordre d'efficacité du prétraitement basé sur les bilans énergétiques et les émissions de GES était le suivant : prétraitement thermique > prétraitement par le procédé Fenton > ultrasonication. Il a été démontré que l'épandage des boues d'épuration pourrait s'avérer une pratique bénéfique pour la réduction des émissions de GES. La méthodologie proposée dans cette étude a été plus efficace/fiable pour l'estimation des émissions de GES, correspondant à l'épandage des boues d'épuration comparativement aux méthodes existantes. Le point fort de cette thèse est qu’elle permet d’obtenir un regard nouveau sur les paramètres importants à considérer lors du choix élevée pour la boue secondaire par rapport aux boues primaires et mixtes. Une production de méthane cumulative maximale a été observée avec une concentration initiale de 31,45 g ST/L des différentes technologies de traitement des eaux et de valorisation des boues, en termes énergétiques. Ainsi, l'évaluation de la technologie de prétraitement basée sur l'énergie et les émissions de GES comme critères de gestion sont susceptibles d’influencer, d’une part la prise de décision dans la sélection de la technologie de prétraitement pour la gestion des boues et, d’autre part, l’opinion publique. .

Abstract

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The unmanageable quantity of sludge generation is a growing environmental problem, affecting the wastewater treatment plants (WWTPs) worldwide. The expenditure associated with sludge management is estimated at around 50-60% of the total wastewater treatment plant operating costs. Moreover, during sludge management (treatment, disposal and/or reuse), the organic matter is converted into carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and nitrous oxide (N2O), corresponding to the environmental conditions. The CO2, CH4 and N2O are the principal greenhouse gases (GHG). Alarming levels of global warming and climate change have made it necessary to quantify GHG emissions from every source. Therefore, sludge treatment has become the most significant challenge in waste management. Anaerobic digestion (AD) is considered the most cost-effective and sustainable technology for sludge treatment. In order to enhance the biodegradable organic matter in sludge and to increase the AD efficiency, pre-treatment of sludge is required. Researchers have evaluated various pre-treatment technologies (such as ultrasonication, thermal, and Fenton pre-treatment) and have concluded that, compared to the untreated sludge, the biogas production is enhanced. However, it was not clear if the increased biogas could correspond to the energy input during pre-treatment and anaerobic digestion. Thus, the aim of the study was to evaluate pre-treatment technologies (ultrasonication, thermal, Fenton pre-treatment) by considering energy and GHG emissions as criteria, which is also its novel contribution to this research field. Increase in temperature during ultrasonication of sludge and its effect on the net energy (energy output − energy input) and GHG emissions were evaluated. Further, ultrasonication of sludge (primary, secondary, and mixed sludge) at different solids concentrations and lab scale AD was carried out to evaluate the solids degradation and methane production rates. Increase in the sludge temperature resulted in a positive impact on the net energy and GHG emissions. The solids degradation was much faster for the ultrasonicated sludge during the first five days of AD. The cumulative methane production was higher for the secondary sludge compared to the primary and the mixed sludge (with and without pre-treatment). The maximum cumulative methane was observed at 31.45 g TS/L for the ultrasonicated secondary sludge. Energy balance revealed that the maximum net energy was 7.89 kWh/Mg of total dry solids (TDS) and the energy ratio of 1.0 at 31.45 g TS/L for ultrasonicated secondary sludge. Mass-energy balance for thermal pre-treatment was assessed at different solids concentrations (1%, 2%, 3% and 4%, w/v) and it was observed that the net energy was positive for the thermally pre-treated sludge, when the total solids concentration was greater than 1.5% (w/v). GHG emissions were also reduced with thermal pre-treatment. The net energy was positive and the energy ratio was greater than one for the thermally pre-treated secondary and the mixed sludge, at solids concentrations of 2%, 3% and 4%. At 30 g TS/L, for the secondary sludge, GHG emissions for the thermally pre-treated and the control samples were 73.8 kg CO2 equivalent/Mg of TDS and 350.2 kg CO2 equivalent/Mg of TDS, respectively. Mass-energy balance revealed that Fenton pre-treatment followed by mesophilic digestion resulted in higher net energy as well as energy ratio compared to thermophilic digestion alone. The GHG emissions were reduced with Fenton pre-treatment and the highest reduction was observed during mesophilic AD at 20 days of HRT. Energy balance showed that the net energy increased with Fenton pre-treatment (Process 2, comprising Fenton pre-treatment followed by anaerobic digestion). For Process 3 (Process 2 + Fenton pre-treatment of the digestate produced in Process 2, followed by AD) and Process 4 (Process 1 (AD of sludge) + Fenton pre-treatment of the digestate generated in Process 1, followed by AD), the net energy increased compared to the control. The minimum GHG emissions (128 kg CO2 equivalent/Mg of TDS) were obtained in Process 2. Relative to the ultrasonication and Fenton pre-treatment, thermal pre-treatment (at 134°C) was the most beneficial in terms of net energy and GHG emissions. The order of pre-treatment efficiency based on energy balance and GHG emissions was thus thermal pre-treatment > Fenton pre-treatment > ultrasonication. It was demonstrated that the land application of sewage sludge could be a beneficial practice from the GHG emissions perspective. The methodology proposed in this study was more effective/reliable in the estimation of GHG emissions corresponding to land application of sewage sludge as compared to the prevailing ones. This study demonstrates importance of energy and GHG emissions in evaluating a treatment technology for sludge management and in future wil be a point of reference to the researchers in studying these pre-treatment technologies.Thus, evaluating pre-treatment technologies based on the energy and GHG emissions as criteria is likely to influence public opinion and decision-making in selecting the most appropriate sludge management technology.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Tyagi, Rajeshwar Dayal
Co-directeurs de mémoire/thèse: Yan, Son
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: boues; ultrasonication; gaz à effet de serre; digestion anaérobie
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 11 févr. 2016 18:25
Dernière modification: 11 févr. 2016 18:25
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/3296

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