La méthanisation par voie sèche agricole appliquée aux fumiers de bovins: optimisation de la recirculation des lixiviats Axelle Degueurce To cite this version: Axelle Degueurce. La méthanisation par voie sèche agricole appliquée aux fumiers de bovins: op- timisation de la recirculation des lixiviats. Autre. Université Rennes 1, 2016. Français. ￿NNT: 2016REN1S016￿. ￿tel-01379423￿ HAL Id: tel-01379423 https://theses.hal.science/tel-01379423 Submitted on 11 Oct 2016 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. 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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 SDLM présentée par Axelle Degueurce Préparée à l’unité de recherche Gestion environnementale et traitement biologique des déchets (GERE) IRSTEA La méthanisation par Thèse soutenue à Rennes le 12 Mai 2016 voie sèche agricole devant le jury composé de : Renaud ESCUDIÉ appliquée aux Chargé de Recherche, INRA-LBE Narbonne / rapporteur fumiers de bovins : Rémy GOURDON Professeur, INSA Lyon / rapporteur optimisation de la Sébastien POMMIER Ingénieur de Recherche, CRITT GPTE / recirculation des examinateur Thierry RIBEIRO lixiviats Enseignant-Chercheur, LaSalle-Beauvais / examinateur Pascal PEU Ingénieur de Recherche, Irstea Rennes / examinateur José MARTINEZ Directeur de Recherche, Irstea Rennes / directeur de thèse 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 SDLM présentée par Axelle Degueurce Préparée à l’unité de recherche Gestion environnementale et traitement biologique des déchets (GERE) IRSTEA La méthanisation par Thèse soutenue à Rennes le 12 Mai 2016 voie sèche agricole devant le jury composé de : Renaud ESCUDIÉ appliquée aux Chargé de Recherche, INRA-LBE Narbonne / rapporteur fumiers de bovins : Rémy GOURDON Professeur, INSA Lyon / rapporteur optimisation de la Sébastien POMMIER Ingénieur de Recherche, CRITT GPTE / recirculation des examinateur Thierry RIBERO lixiviats Enseignant-Chercheur, Lassalle-Beauvais / examinateur Pascal PEU Ingénieur de Recherche, Irstea Rennes / examinateur José MARTINEZ Directeur de Recherche, Irstea Rennes / directeur de thèse Remerciements! Je remercie tout d’abord Renaud Escudié et Rémi Gourdon pour avoir accepté d’évaluer mon travail de doctorat en tant que rapporteurs et membres du jury de soutenance, ainsi que les examinateurs, Thierry Ribeiro et Sébastien Pommier. Je souhaite également remercier José Martinez, mon directeur de thèse, pour ses conseils et la confiance qu’il m’a accordée au cours de ces trois années. Un grand merci à Pascal Peu, co-directeur de thèse, pour son implication, son expertise, son soutien et tout le temps qu’il a passé à m’initier et me former sur des sujets aussi divers et variés que la soudure, la plomberie ou encore le maniement d’une clé à molette (c’était vraiment pas gagné d’avance). Je salue aussi ta réactivité lorsque les choses ont failli tourner au vinaigre car c’est en grande partie grâce à toi que j’ai pu finaliser mes travaux. Merci également à Fabrice Béline et Véronique Bellon-Maurel d’avoir œuvré pour que cette thèse puisse s’achever avec le soutien financier de l’Irstea. Je remercie aussi Pierre Buffière, Laurent Oxarango, Fabrice Béline, Céline Druilhe, Romain Girault, Sylvain Moreau et Rémi Clément pour avoir participé aux discussions et recadré ou étoffé les réflexions autour de ce travail lors des différents comités de pilotage. Je remercie particulièrement Céline pour son aide expérimentale et littéraire ainsi que Rémi et Sylvain pour leur disponibilité et leur initiation à la géophysique, que ce soit au laboratoire, sur le terrain ou pendant les phases d’écriture. Je tiens aussi à remercier Marie-Line Daumer et Anne Trémier pour leur aide et conseils quant à l’utilisation des plans d’expériences. Merci à Nair qui a mis la main à la patte lors de son stage, aux filles du labo, Mylène, Patricia, Sylvie, Sophie et à Julie, fille du hall, pour avoir eu la patience de répondre à mes nombreuses questions pratiques et pour leur disponibilité. Mes remerciements vont aussi à tous ceux qui font que l’ambiance au centre Irstea de Rennes est agréable au café, à midi, pendant les soirées jeux et autres événements Mosaïque. Merci donc à Brigitte, Asma, Nicolas, Lionel, Sylvain, Yannick, Amaury (pour tes blagues qui font mouche !), Mylène (pour les MàJ de OUAT), Lynda (pour les mollets de Brad), Romain G (pour le copyright), Pascal, Thierry, Claire, les Fabrice, Patrick, Anne-Marie, Christelle (co-bureau d’exception !), Henry, Romain C (bédéiste de talent), Simon, Anne-Laure, Younes, Benjamin, Guillaume et bien sûr, la seule et l’unique Christine ! (et son pull à poils…) Je remercie tout particulièrement Julie et Sophie, ou plus simplement les Morues, pour leurs propos bienveillants et chaleureux au détour d'un couloir, d’un 5 labo, d’un bureau... A mon compte à rebours attitré, Pascal, mieux réglé qu’un coucou Suisse, qui m’a régulièrement rappelé qu’un jour venait de s’écouler avec toujours 0 articles au compteur… Merci à ceux grâce à qui les soirées à La Cité D’Ys, et plus tard au Gazo, sont devenues incontournables et inoubliables: Lucas, Faustine, Arnaud, Jordan, Etienne, Samig, Clément, Anthony, Nicolas, Cyril et Jérémy avec leurs + unes. Merci au palet (je ne parle pas des biscuits !), aux galettes saucisses du marché des lices et à la bonne bière. Aux trégorrois pour m’avoir fait partagé leur culture et leur terroir à travers la musique, les lieux, les fest-noz, les mariages, les débats et philosophies de vie… ah oui et l’humour aussi (c’est l’histoire d’un bigouden et d’un léonard,… bref !). Merci donc à Daniel, Françoise, Aline, Antonin, Vio, Arnaud, Tomig, Anné, Erwan, Tim & Anne, Joanne, Norig et Anaïs. Et à ceux qui ne sont pas du Trégor mais grâce à qui les week-ends et vacances ont pu être si relaxants : Tom, Camille, Brendan, François, Evan, Brieg, Antoine, Gaëlle et Aurélie. Et surtout, merci à Jonas Lössl, sans qui les soirées foot de l’EAG ne seraient plus les mêmes. Merci à mes amis qui m’ont encouragée jusqu’au bout et qui ont bienheureusement croisé ma route un jour. Merci à Didy Pouet, celle qui suit, un peu par hasard, le même chemin que moi depuis de nombreuses années ; à Jean-Gui, mon coloc’ toujours au taquet, parfois difficile à canaliser mais qui a bien d’autres qualités (je parle de ton humour …) ; à ma gueuse, Méla, et son accent chantant ; à Mich, merci notamment pour Penmarc’h et Soldat Louis ;) ; à Dodo, Eugénie, Tau, Zean, Corentin, Fanoo et la grand-mère de Dodo, pour VénéZan ! Enfin, merci à ma maman, sans qui je ne serais pas là aujourd’hui. Merci pour ton soutien indéfectible, ta présence pendant toutes ces années passées et celles à venir. Merci à mes frères, Yann et Arnaud, qui sont toujours là pour moi qu’importent la distance et le temps qui passe. A vous trois : merci d’exister ! Je ne remercierai jamais assez Sam, une de mes plus belles rencontres, qui n’est pas étranger à mon évolution et ma réussite. Merci pour ta patience, tes paroles apaisantes et ton implication à mes côtés en cette fin de thèse (et aussi pour m’avoir nourrie !!!). 6 Liste&des&communications&relatives&à& cette$thèse! Publications scientifiques Degueurce, A., Tomas, N., Le Roux, S., Martinez, J., Peu, P. 2016. Biotic and abiotic roles of leachate recirculation in batch mode solid-state anaerobic digestion of cattle manure. Bioresource Technology, 200, 388-395. Degueurce, A., Trémier.A, Peu, P. 2016. Dynamic effect of leachate recirculation on batch solid state anaerobic digestion: influence of recirculated volume, liquid to solid ratio and recirculation periodicity. Soumis à Bioresource Technology. Degueurce, A., Clément, R., Moreau, S., Peu, P. 2016. On the value of electrical resistivity tomography for monitoring leachate injection in solid state anaerobic digestion plants at farm scale. Soumis à Waste Management. Communications orales Degueurce, A., Druilhe, C., Kliber, S., Martinez, J., Peu, P. A new design tool for solid-state anaerobic digestion. 5th International Conference on Engineering for Waste and Biomass Valorisation, Rio de Janeiro, Brazil, August 25-28, 2014. Degueurce, A., Druilhe, C., Kliber, S., Martinez, J., Peu, P. Optimiser la méthanisation par voie sèche discontinue par la recirculation du lixiviat. Journées Recherche Industrie Biogaz Méthanisation, Rennes, 3-5 Février 2015. Capdeville, J., Peu, P., Perrot, C., Bioteau, T., Degueurce, A. Fumiers de bovins, un gisement à fort potentiel pour le secteur de la méthanisation en France. Journées Recherche Industrie Biogaz Méthanisation, Rennes, 3-5 Février 2015. Clément, R., Degueurce, A., Moreau, S., Peu, P. 2015. First leachate injection monitoring in farm scale solid state anaerobic digestion plant by electrical resistivity tomography. 3rd International Workshop on Geoelectrical Monitoring, Vienna, Austria, November 4 - 26, 2015. Communications affichées Degueurce, A., Kliber, S., Martinez, J., Peu, P. Optimiser la méthanisation par voie sèche discontinue par la recirculation du lixiviat. Journée des Doctorants 2015 – Ecole Doctorale SDLM. Peu, P., Degueurce, A., Tomas, N., Le Roux, S., Martinez, J. Leachate biotic and abiotic effects on solid state anaerobic digestion of cow manure. 14th World Congress on Anaerobic Digestion, Viña del Mar, Chile, November 15 – 18, 2015. 7 Publication technique Degueurce, A., Capdeville, J., Perrot, C., Bioteau, T., Martinez, J., Peu, P. 2016.Fumiers de bovins, une ressource à fort potentiel pour la filière de méthanisation en France ? Science, Eaux et Territoire, hors-série numéro 24. 8 Table&des&matières! Remerciements ........................................................................................................................................ 5! Liste des communications relatives à cette thèse ................................................................................. 7! Table des matières .................................................................................................................................. 9! Liste des abréviations ........................................................................................................................... 15! Liste des figures .................................................................................................................................... 17! Liste des tableaux ................................................................................................................................. 21! Introduction Générale .......................................................................................................................... 25! Chapitre 1 : Synthèse bibliographique ............................................................................................... 31! 1.! La méthanisation : une filière en développement ....................................................................... 33! 1.1.! Définition et historique ....................................................................................................... 33! 1.2.! Etat des lieux de la digestion anaérobie en France ............................................................. 35! 1.2.1.! Contexte réglementaire et enjeux environnementaux ................................................ 35! 1.2.2.! Les gisements de substrats disponibles ...................................................................... 36! 1.2.3.! Evolution et répartition des unités de méthanisation .................................................. 37! 2.! Le processus de la digestion anaérobie ...................................................................................... 39! 2.1.! Description des étapes ........................................................................................................ 39! 2.1.1.! L’hydrolyse ................................................................................................................. 40! 2.1.2.! L’acidogenèse ............................................................................................................. 41! 2.1.3.! L’acétogenèse ............................................................................................................. 41! 2.1.4.! La méthanogenèse ...................................................................................................... 42! 2.2.! L’environnement réactionnel .............................................................................................. 42! 2.2.1.! La température ............................................................................................................ 43! 2.2.2.! Le pH .......................................................................................................................... 44! 2.2.3.! L’alcalinité .................................................................................................................. 44! 2.2.4.! Les co-facteurs ............................................................................................................ 45! 9