ISO 19388:2023
(Main)Sludge recovery, recycling, treatment and disposal — Requirements and recommendations for the operation of anaerobic digestion facilities
Sludge recovery, recycling, treatment and disposal — Requirements and recommendations for the operation of anaerobic digestion facilities
This document establishes requirements and recommendations for the operation of the anaerobic digestion of sludge in order to support safe and sufficient operation of anaerobic digestion facilities to produce to produce sufficient biogas and control by-products qualities. In particular, conditions to optimize mixing within the reactor and appropriate control systems management for safe and reliable operation are described in this document. Performance of the processes in terms of biogas and digestate production are presented depending on type of technologies available on the market. Blending sludge with waste (co-substrate) and mixing the sludge with organic wastes to increase digester loading are also considered. This document is applicable to decision-makers and operators in charge of an anaerobic digestion system.
Valorisation, recyclage, traitement et élimination des boues — Exigences et recommandations pour l'exploitation des installations de digestion anaérobie
Le présent document établit des exigences et recommandations pour la digestion anaérobie des boues, pour assurer un fonctionnement sûr et satisfaisant des installations de digestion anaérobie afin d'obtenir une production de biogaz suffisante et de contrôler la qualité des sous-produits. En particulier, le présent document décrit les conditions permettant d'optimiser le brassage dans le réacteur et de bien gérer les systèmes de commande pour garantir une exploitation sûre et fiable. Les performances des processus en termes de production de biogaz et de digestats sont présentées selon les types de technologies disponibles sur le marché. Le mélange de boues avec des déchets (cosubstrat) et le mélange de boues avec des déchets organiques afin d'augmenter la charge du digesteur, sont également pris en considération. Le présent document s'adresse aux décideurs et aux opérateurs en charge d'un système de digestion anaérobie.
General Information
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 19388
First edition
2023-03
Sludge recovery, recycling, treatment
and disposal — Requirements and
recommendations for the operation of
anaerobic digestion facilities
Valorisation, recyclage, traitement et élimination des boues —
Exigences et recommandations pour l'exploitation des installations de
digestion anaérobie
Reference number
© ISO 2023
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Published in Switzerland
ii
Contents Page
Foreword .v
Introduction . vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms, definitions and abbreviated terms . 1
3.1 Terms and definitions . 1
3.2 Abbreviated terms . 3
4 Fundamentals .3
4.1 Boundaries . 3
4.2 Principle . 4
4.3 Pre-treatment . 5
4.3.1 General . 5
4.3.2 Physical pre-treatment . 8
4.3.3 Chemical pre-treatment . 9
4.3.4 Enzymatic hydrolysis . 9
4.4 Digester . 9
4.4.1 Shape . 9
4.4.2 Configurations . 10
4.4.3 Mixing system . 11
4.4.4 Heating system . 14
4.4.5 Operating temperature . 14
4.4.6 Line description . 14
5 Digestion performance .15
5.1 Feedstock composition.15
5.2 Feeding characterization .15
5.3 E valuation of the potential production of methane . 16
5.4 A ssessment of foaming risks . 19
5.5 Rheological properties .20
5.6 Prediction of biogas quality . 20
6 Operating performance .21
6.1 Pre-treatment . 21
6.1.1 General . 21
6.1.2 Shock loading or digester over-loading .22
6.1.3 Inadequate or excessive heating . 22
6.1.4 Commissioning, start-up . 22
6.1.5 Mixing efficiency and hydraulic retention time . 24
6.1.6 Gas system . 25
6.1.7 Gas monitoring . 26
6.1.8 CH production. 26
6.1.9 Process monitoring . 26
6.1.10 Return liquors . 27
6.2 Digestate quality and characteristics . 27
6.2.1 Process efficiency . 27
6.2.2 Dewaterability .28
6.2.3 Biogas quality .28
6.2.4 Biogas quantity .28
6.2.5 Biogas conditioning .29
7 Process safety — Trouble shooting .30
7.1 Pressure control . 30
7.2 Stop of CHP machines . 30
7.3 Odour management . 30
7.4 Foaming . 30
iii
7.5 Corrosion . 31
7.6 Struvite deposits . 31
7.7 Sand and grit removal . 31
Annex A (informative) Stabilization of sludge .32
+
Annex B (informative) Chemical parameters of ammonium — pKa values of NH /NH .35
3 4
Bibliography .36
iv
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
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constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to
the World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see
www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 275, Sludge recovery, recycling, treatment
and disposal.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
v
Introduction
Anaerobic digestion of sewage treatment plant sludge is an increasing market at world scale. It presents
advantages for sludge treatment in terms of sludge volume decrease, organic matter recycling and
energy recovery.
Standardization of conditions of operation is therefore a main issue to ensure an efficient development
of anaerobic digestion treatment. Anaerobic digestion process is subject to appropriate safety measures
because it can represent many risks. Safety parameters are included in risks analyses (e.g. HAZOP).
Therefore, the objectives of this document are:
— to reduce volatile solids, mitigate odours production and generate biogas;
— to obtain good process stability and performance;
— to maximize qualities of by-products: digestate quality, biogas quality for different uses (injection
of upgraded biogas into the gas grid, liquefied storage, fuel reuse, electricity and heat production);
— to perform safe and reliable operation: industrial safety for piping and automatism network and
biogas equipment is in particular an important issue;
— to reduce emission of greenhouse gasses, especially of methane.
Anaerobic stabilization does not mean sludge sanitization: pathogens reduction is limited to 1 log to 3
logs. Higher reduction can only be obtained with specific conditions of temperature and residence time
which are not discussed in this document.
vi
INTERNATIONAL STANDARD ISO 19388:2023(E)
Sludge recovery, recycling, treatment and disposal —
Requirements and recommendations for the operation of
anaerobic digestion facilities
1 Scope
This document establishes requirements and recommendations for the operation of the anaerobic
digestion of sludge in order to support safe and sufficient operation of anaerobic digestion facilities to
produce to produce sufficient biogas and control by-products qualities.
In particular, conditions to optimize mixing within the reactor and appropriate control systems
management for safe and reliable operation are described in this document. Performance of the
processes in terms of biogas and digestate production are presented depending on type of technologies
available on the market. Blending sludge with waste (co-substrate) and mixing the sludge with organic
wastes to increase digester loading are also considered.
This document is applicable to decision-makers and operators in charge of an anaerobic digestion
system.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms, definitions and abbreviated terms
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1 Terms and definitions
3.1.1
acetoclastic methanogenic microorganism
anaerobic microorganism which use acetate as a main substrate
3.1.2
anaerobic digestion
anaerobic process which achieves two equally important functions, the anaerobic stabilization of
substrate and the production of energy through conversion of substrate into biogas
3.1.3
biochemical methane potential
BMP
volume of methane generated during the sample degradation referred to the mass of the sample of
biosolid and expressed in normal conditions of temperature (0 °C) and pressure (1 013 hPa)
3.1.4
digestate
digested sludge
remaining effluent from the anaerobic digestion process including solid fraction and liquid fraction
[SOURCE: ISO 20675:2018, 3.19]
3.1.5
digester gas
biogas
gas mixture generated during anaerobic digestion consisting mainly of methane and carbon dioxide
3.1.6
feeding
process of adding substrate into an anaerobic digester
3.1.7
hydrolysis
biological, chemical, thermal or physical transformation of solid chemical oxygen demand into dissolved
chemical oxygen demand by reaction with water
3.1.8
phase
distinct metabolic pathways
EXAMPLE Two-phase digestion: hydrolysis/acidogenesis followed by acetogenic/methogenic.
3.1.9
readily degradable substance
substance which is easily and completely degradable by microorganisms
3.1.10
sludge age
solids retention time in a reactor
Note 1 to entry: The common unit is d.
3.1.11
stabilization
process in which organic substances are converted to materials that are not biodegradable or are slowly
biodegradable
3.1.12
stage
consecutive part of a process
EXAMPLE Two-stage digester, i.e. a primary digester followed by secondary digester for completing
processes.
3.1.13
substrate
feedstock containing degradable organic components
3.1.14
volumetric organic load
mass of substrate, measured as total solids, volatile solids, biochemical oxygen demand or chemical
oxygen demand, fed per digester volume and day
3.2 Abbreviated terms
ATU allyltiourea assay
BMP biochemical methane potential
BOD biochemical oxygen demand
CAPEX capital expenditure
CHP combined heat and power
COD chemical oxygen demand
ECP extracellular polymer
FOG fats, oils and greases
HRT hydraulic retention time
ITHP intermediate thermal hydrolysis process
OUR oxygen uptake rate
OPEX operational expenditure
SOUR specific oxygen uptake rate
SRT solids retention time
TS total solids
VFA volatile fatty acids
VS volatile solids
4 Fundamentals
4.1 Boundaries
Figure 1 describes the system configuration of the anaerobic digestion. In this document, the focus is
oriented on anaerobic digester operation and pre-treatments.
Figure 1 — Typical system configuration of anaerobic digestion
4.2 Principle
Anaerobic digestion is a cornerstone process of wastewater treatment operations, wherein solid waste
streams can be effectively treated and resources recovered. Anaerobic digestion usually requires
primary sludge. Most of the digester gas is generated from primary sludge. Secondary or tertiary sludge
can also be stabilized, but they should be (usually mechanically) thickened prior to anaerobic digestion.
The pervasive rollout of activated sludge-based wastewater treatment processes in particular
throughout the 20th century, necessitated digestion processes to effectively stabilize the large volumes
of generated waste activated sludge. The key purpose of anaerobic digestion during wastewater
treatment is to achieve disintegration and destruction of the degradable sludge solids fraction in order
to reduce this fraction and to reduce the mass and volume of the sludge material after dewatering or
drying.
This treatment recovers useful resources such as combustible digester gas (methane) and nutrients in
the digester sludge. Anaerobic digestion involves microbial decomposition of the organic constituents
present in wastewater sludge (i.e. proteins, carbohydrates and lipids) in the absence of dissolved
oxygen. Microorganisms involved in anaerobic digestion comprise a complex consortium of microbes,
with different metabolic properties and physicochemical requirements. The key products of anaerobic
digestion, apart from digested and stabilized solids rich in phosphorus include water containing high
levels of ammonia and alkalinity, and a biogas which comprises principally methane (typically 60 %
v/v to 70 % v/v) and carbon dioxide (typically a volume fraction of 30 % to 40 %), with other minor
constituents including hydrogen, nitrogen, hydrogen sulfide and siloxanes. Digester gas composition
depends on substrate quality. It can be different for industrial sludge or where co-substrates are added.
Anaerobic digestion transfers energy from solids to digester gas (methane). Only a very small amount
of energy is used for the production of biomass. Theoretical calculation gives 0,35 m methane with an
energy content of 3,5 kWh per kg of COD removed.
Anaerobic digestion is performed through four distinct biological steps, namely hydrolysis, acidogenesis,
acetogenesis and methanogenesis; an additional pre-treatment stage may be added prior to hydrolysis
for feedstocks containing solid particles in order to breakdown solids to smaller particles which are
[50]
more amenable to hydrolysis.
— Hydrolysis: Hydrolysis generates soluble organic components (e.g. sugar) from volatile solids which
microorganisms can absorb through their cell membranes. Hydrolysis is usually the rate-limiting
step during the digesting process.
— Acidogenesis: Hydrolyzed compounds formed during the hydrolysis step are further converted to
a mixture of short-chain volatile fatty acids (e.g. acetic acid, propionic, butyric and valeric acids),
alcohols, esters, sugars and other simple organic compounds (e.g. carbonic acid) by a diverse array
of microorganisms called acidogens. The relative proportion of the different metabolic co-products
(H and CO ) depends on the substrate quality as well as the operating conditions.
2 2
— Acetogenesis: Products of acidogenesis are further transformed to acetic acid, CO and H by
2 2
acetogenic microorganisms. Acetogenic microorganisms are relatively slow growing compared to
the acidogens, such that careful process control and stable digester operation is required to avoid
excessive acid accumulation and concomitant pH drop which can lead to digester upsets or process
failure. Nevertheless, the slowest growing microorganisms are the methanogens.
Some minor route such as syntrophic acetate oxidation performed by methane microorganisms
(oxidation of acetate into H and CO ) can occur and be prevalent when stressful conditions are
2 2
encountered (e.g. high concentration of ammonia resulting from high ammonium concentration,
high pH and high temperature).
— Methanogenesis: This final stage generates methane from either acetate or hydrogen by
methanogenic microorganisms (Archae). Usually acetate is the main source for the production
of methane (approximately 70 %) via so-called acetoclastic methanogens, with the remaining
approximately 30 % of generated methane being generated from hydrogen-utilizing methanogens.
The balance between methane generation from acetate and from hydrogen is variable depending
on operating conditions and substrate characteristics. Methanogens are slower growing than both
the acidogens and acetogens, and are also susceptible to environmental stresses in the form of pH
and temperature imbalance, toxic or inhibitory substances such as free oxygen, or disruptions of
nutrient supply.
This succession of steps shows two points of attention in order to optimize anaerobic digestion
operation.
a) Methanogenic microorganisms (mainly acetoclastic methanogens) are the slowest to grow because
their substrate and their end products have a small energy difference (i.e. they gain little energy).
In addition, they are most sensitive to inhibition.
−1
Methanosarcina have a maximum growth rate of 0,3 d and Methanothrix have a maximum growth
−1 [8]
rate of 0,1 d . According to the Monod equation, the growth rate depends on the substrate
concentration. The Monod equation is given in Formula (1):
μ ×C K
max s
i
μ= × (1)
KC+ KC+
ss ii
where
−1
μ is the growth rate, in d ;
−1
μ is the maximum growth rate at unlimited substrate concentration, in d ;
max
K is a constant, in g/l, depending on the kind of microorganism and its substrate; if C = K , then
S S S
μ = 1/2 × μ ;
max
K is a constant, in g/l, depending on the kind of microorganism and its inhibitor; if C = K , then
i i i
μ = 1/2 × μ ;
max
C is the inhibitor concentration, in g/l;
i
C is the substrate concentration, in g/l.
s
b) Hydrolysis is the velocity-limiting process step during the digesting process. In preferably heated
raw sludge storage tanks some biological hydrolysis takes place. Particulate COD is turned into
dissolved and easily degradable COD.
Two stage digestion occurs in a highly loaded first-stage digester followed by a less loaded second-
stage digester; the microorganism in both stages can be the same. A two-stage digestion (mesophilic
and mesophilic) is more efficient than a single mesophilic reactor because the distribution around
the mean retention time is tighter.
4.3 Pre-treatment
4.3.1 General
Substrate thickening is usually the first pre-treatment process. The fed substrate should have a solids
concentration (30 g/l to 80 g/l) in accordance with the anaerobic digester operating conditions. This
concentration should reach 150 g/l to 250 g/l in case of co-digestion of sludge and other organic waste.
Concentration of either sludge or organic waste, or both, shall be performed by gravity or mechanical
thickening.
Additional pre-treatments improve anaerobic digestion performance leading to either an increase of
organic volumetric organic load or an increase of gas yield, or both. These pre-treatments are preferably
designed to enhance sludge hydrolysis which is the velocity limiting step of anaerobic digestion. Fine
screening of all fed substrates is generally recommended to remove coarse material, such as hygienic
and cosmetic products and plastic matter. Removal of sand and grit reduces abrasion and wear of
mechanical equipment and deposit formation in pipelines and channels, and accumulation of grit in
anaerobic digesters.
Advantages and drawbacks for different types of treatment before anaerobic digestion are presented in
Table 1.
The full-scale estimations represented in Table 1 are average values which depends on the process
characteristics.
Table 1 — Advantages and drawbacks for different types of treatment before anaerobic digestion
Pre-treatment technique Type of sludge Hydrolysis Biodegradation VS removal Dewaterability of Return load Biogas OPEX CAPEX Reference
rate (khyd) digestate (NH4-N) yied
Physical pre-treatment
Thermal < 100 °C, time
Mixed sludge + ± ± ± –- ± ++ ++ [44]
application < 24 h(pasteurization)
Mixed sludge [25];[26];[28];[29];[30];[34];
+ –
Thermal > 100 °C and ++ ++ ++ ++ ++ +++ [35];[36];[37];[38];
– polymer demand –- COD
excess sludge [39];[41]
Mechanical (pressure homogeniz-
±
[47];[45];[40];[46];[26];
er, ultrasonic and mechanical Mixed sludge +/++ + +/++ - + +/++ +/++
[33];[32]
– polymer demand
disintegration)
Chemical pre-treatment
Mixed sludge
-
Alkaline hydrolysis (industrial and ++ + ++ – ± ++ ± [7]
– polymer demand
municipal)
+ -
Oxidation (O ) Mixed sludge ++ + ++ + ++ ++ [45]
- polymer demand – COD
Biological pre-treatment
Enzymes Mixed sludge + ± ± + - ± +/++ ± [31];[43];[26]
Key
+ : improvement (+ low, ++ medium, +++ high)
- : degradation (- low, – medium, –- high)
±: no significative change
The signs (±) used in this table derive from full-scale anaerobic digestion data with or without pre-treatments.
A new excess biological sludge treatment configuration has been developed which consists of an
ITHP. The potential benefits of this new configuration are volatile matter reduction, enhanced biogas
[27]
production and a significant increase of the dewatered digested sludge dryness .
4.3.2 Physical pre-treatment
4.3.2.1 Thermal hydrolysis
As hydrolysis is the rate-limiting process step, pre-hydrolysis of thickened raw sludge in a heated and
agitated blending and storage tank improve the overall process performance. Hydrolysis can also be
achieved through high-thermal pre-treatment (between 80 °C and 200 °C), with or without the addition
of chemicals (acidic or caustic). Degradation and digester gas production is increased and dewaterability
of the digestate is improved.
High thermal hydrolysis processes can employ direct steam injection into the sludge hydrolysis tank in
order to reach temperatures in the range of 140 °C to 170 °C (higher temperatures shall be avoided in
1)
order to limit production of refractory COD). Average pressure is around 4 bars to 6 bars and the usual
retention time under these conditions of temperature and pressure is 30 min. Heat recovery commonly
include two or three reactors: one for preheating and homogenization, one for reaction, and one for
cooling and heat recovery, respectively.
Hydrolysis can also be enhanced with a combination of thermal and alkaline processes. They require
often lower temperature and addition of chemicals. The temperature is usually around 70 °C and pH
varies from 10 to 12. In comparison to sole thermal hydrolysis alone, the operating temperature and
pressure are lower, which is the main interests of this configuration.
4.3.2.2 Sanitization
Pasteurization is the most common technology in case of added organic substrate which needs to
be sanitized (e.g. feedstock originating from animal waste). The feedstock is quickly heated at a
temperature of minimum 70 °C for a minimum of 1 h. In case of feedstock originating from animal waste,
the particle size should not exceed 12 mm to ensure that the whole matrix is properly hygienized. Heat
recovery is commonly included; usually three reactors are provided: one for heating, one for reaction
time and one for cooling and heat recovery.
4.3.2.3 Compression or decompression — Pressure homogenizer
The use of rapid vacuum conditions of up to 200 bars (e.g. 20 MPa) in a dedicated reactor (e.g. cavitation
chamber) to facilitate the destruction of microorganisms and polymers structures by combining large
pressure drop, turbulent eddies and shear forces, and make the sludge more feasible to the anaerobic
biodegradation.
4.3.2.4 Ultrasounds pre-treatment
Ultrasound treatment operates through cavitation phenomenon inducing local spots of high pressure
and temperature. The use of high intensity ultrasounds, at a frequency of approximately 20 kHz breaks
down cell walls, releasing additional structural polymers and intracellular organic contents and
intracellular organic content by fractionating the organic material to make it readily biodegradable. A
fraction of sludge, generally thickened or dewatered from 6 % to 12 % of dryness, is introduced into the
ultrasonic vessel, this fraction is usually around 30 % and affects mainly biological sludge. The other
interest of ultrasonic treatment is the destruction of filamentous bacteria in the upstream digester.
4.3.2.5 Mechanical disintegration
Mechanical pre-treatment is used to destroy cells of the biological sludge. The content of the cells
becomes easily degradable. Disintegration increases biogas generation. Common systems use,
1) 1 bar = 0,1 MPa = 105 Pa; 1 MPa = 1 N/mm .
high pressure nozzles or milling. Only (ball) mills are systems for mechanical pre-treatment unless
decompression is also taken as a mechanical treatment.
4.3.3 Chemical pre-treatment
4.3.3.1 Oxidation by ozone or hydrogen peroxide
Chemical treatment with oxidation agents mainly aims on the destruction of unsaturated fatty
acids in the cell membrane of microorganisms. Solubilisation of organic complex matters including
microorganisms by strong oxidation is carried out in a separate and dedicated tank. Literature gives a
dose of ozone injected around 0,1 kg O /kg TS.
4.3.3.2 pH variation
Acid or alkaline chemicals are added to the sludge in a chemical conditioning tank in order to enhance
degradability of volatile solids. pH modification can be coupled with thermal or mechanical pre-
treatments (see 4.3.2). Alkaline chemicals are more commonly used. The hydrolysis rate increases
+ −
proportionally with the concentration of H or OH ions. It causes the cleavage of carbohydrates,
proteins and other biopolymers and thus dissolution of the cell wall.
4.3.4 Enzymatic hydrolysis
Selected enzymes are mixed with sludge in order to accelerate hydrolysis of slowly biodegradable
organic compounds into small compounds easy to convert into methane. Enzymes act as a catalyst of
hydrolysis reaction and are not consumed in the anaerobic digestion process but washed out with the
digestate without impact on environment. They are biologically degradable and therefore not harmful
to the environment. Main types of enzymes are cellulase, hemicellulase, protease, lipase and DNase.
Operating conditions are strictly dependant on the enzyme used. Usually the mixture of enzymes is
added either directly into the digester or via a pump into the feed line.
Enzymes can be in situ produced in a dedicated hydrolysis reactor with specific conditions of
temperature and pH [see 4.2 b)]. These exo-enzymes are produced by hydrolysing bacteria.
Temporary addition of enzymes may be useful if a digester is upset. Continuous addition of enzymes is
not economical because they are washed out with the digested sludge.
4.4 Digester
4.4.1 Shape
Sludge is usually digested in a more or less continuously fed and mixed reactor (CFMR) in one or more
steps. The main features of these continuous stirred tank reactors (CSTR) include the tanks, mixers,
covers and heating systems.
There are different types of anaerobic digesters and configurations. There are wide variations of
digester shapes, from shallow cylindrical digesters (so called pancake digesters) with or without
floating cover to egg-shaped digesters. Digester equipment, in particular their mixing systems, depends
on digester geometry.
There are single-stage and two-stage digester systems (e.g. mesophilic and mesophilic), the latter
offering a higher degradation rate per unit volume. There are additional processes used in combination
with anaerobic digestion, for example, disinfection, disintegration or hydrolysis processes (see
4.3). There are processes to remove phosphate from anaerobic digesters in the form of digesters
(magnesium-ammonium-phosphate) in order to avoid operational problems in the digester and
downstream equipment and to recover phosphorous. Operational requirements depend on the type of
digester, process configuration and coordination.
Characteristics of the feedstock can influence decisions on the kind of system used, in particular solids
concentration.
There are additional operational considerations: anaerobic digestion at wastewater treatment plants
needs to be very reliable because raw sludge is generated continuously.
The common digester shapes include but are not limited to the following list:
a) Shallow, cylindrical, flat bottom tanks with a height to diameter ratio below 1:2: Such tanks are, for
example, common in the US. They can be equipped with a floating cover to retain the biogas, or a
fixed cover. Mixing is usually done with external recirculation (e.g. jet mixing), multiple draft tube
mixers or multiple injection point gas mixing. Removal of deposits is required every few years.
b) Cylindrical, flat bottom tanks with a height to diameter ratio of at least 1:1: Such tanks are common
in Europe, for example, in France and Germany. Digester mixing is usually achieved with mechanical
mixers or multiple point biogas injection.
c) Cylindrical tanks with a top dome and bottom cone with a ratio of cylinder height to diameter
of about 1:1: The top dome serves to concentrate scum on a small surface from where it can be
removed. Since fine screens have become common in preliminary works, this design is less
common in some countries. Digester mixing is done through external sludge recirculation (for
small digesters), a central mechanical draft tube mixer or peripheral biogas injection.
d) Egg-shaped digesters were developed in Germany and are used in other countries too: They are
used at medium to large plants. They are mixed with either a central mechanical draft tube mixer
or through peripheral gas mixing, or both.
4.4.2 Configurations
Conventional digesters are designed to have a SRT equal to the HRT. The extended SRT digestion process
which has greater SRT than HRT done by thickening the digestate and then recycling it back to the
digester. But that is not well adapted to highly concentrated sludge due to the difficulty to have adapted
thickening equipment and risk to lose anaerobic conditions. Anaerobic digestion can be designed as
either single, two stages or even multi-stages digesters.
Two-stage digestion is usually limited to plants equal or higher than a total population of 20 000
inhabitants. The two digesters can be operated under the same mode or the second one can be operated
as a gravity thickener and sludge returns from the bottom of the second digester to the first digester in
order to increase SRT over HRT.
Another configuration called two-phase digestion is designed and operated in order to separate and
optimize the main biological steps, for example, hydrolysis and partial acidogenesis occurring in the
first reactor and methanogenesis in the second. Main advantage is to apply optimal operating conditions
for each phase, for example, thermophilic condition for enhancing hydrolysis or increasing pathogen
inactivation in the first phase and mesophilic in the second phase. SRT and mixing conditions shall be
specific and adapted for each phase.
Volume of single digester is calculated to provide usually an HRT or SRT in the range of 16 d to 30 d. The
overall SRT or HRT of two-stage digestion is usually in the range of 15 d to 22 d and for the two-phase
process, volume can be reduced to 2 d or 4 d of HRT depending on the size of the plant and the quality
of the sludge for the first phase and around 10 d or 15 d for the second one. In case of mixture with
organic waste, the recommended TSH / TSS can be around 35 d to 45 d, even more (up to 60 d when
mixed with, for example, manure with high straw content or cereal residues).
The advantages and drawbacks of each common digester configuration is presented in Table 2.
Table 2 — Main advantages and drawbacks for three digester configurations
Advantages Drawbacks
low capital expenditures; easy to operate;
Single digester high HRT; big volume
low sensitivity to feedstock variations
great biological stability in the second stage;
Two-stage digesters
low SRT and HRT; great stability regarding
feedstock variations; decreased anaerobic high CAPEX
(primary followed by
digester total volume; increased VS degrada-
secondary digester)
tion and digester gas production
short SRT/HRT; great biological stability;
Two-phase digesters
great stability regarding feedstock varia- less easy to operate than the single
tions; possible sanitization in case the first digester; high CAPEX; large footprint;
(two distinct metabolic
phase is thermophilic with a certain mini- large risk zone around the digesters
pathways)
mum batch period
Digesters are usually made of concrete or steel. The choice of material depends on the size and the shape
of the digester. Above the minimum sludge level, concrete or steel shall be protected against corrosion.
Efficiency of digestion systems can be enhanced by additional pre-treatments (see 4.3).
4.4.3 Mixing system
4.4.3.1 General
Even if natural mixing occurs in anaerobic digesters thanks to gas bubble rising and thermal convection,
additional mixing is required. Mixing prevents stratification within digesters and it also ensures
uniform conditions (temperature, concentration of substrate, etc.) throughout the entire volume.
Adequate mixing permits treatment of raw sludge with a solids concentration of up to 10 %. The higher
the sludge concentration, the higher is its viscosity and the higher is the required mixing energy. In case
of mixing with biowaste or for dewatered sludge, the dryness at the feed can reach 20 % or slightly
more.
Digester mixing has the following objectives:
— fast and even distribution of the raw sludge (substrate) into the bulk of the digested sludge within
the digester;
— avoiding of concentration and temperature gradients within the digester;
— acceleration of mass and temperature transfer;
— prevention of dead zones, short-circuits, deposits and scum layers;
— acceleration of biogas release;
— avoidance of disturbances or interruptions of digester operation.
Sufficient mixing is essential to keep most of the digester volume long-term active and to prevent the
need for periodic digester emptying or the need to employ divers to remove solids deposits. Intensive
digester mixing avoids the need for additional digesters and reduces maintenance costs. The quality of
digester mixing can be determined with tracer tests (e.g. with addition of lithium). Nevertheless, the
mixing power should rather be too high than too low to obtain a controlled balance between foaming
and homogeneity criterion.
The following equipment is commonly used for digester mixing:
— external recirculation pump (including jet mixing);
— draft tube mixers (either mechanical or with biogas injection);
— internal propeller mixers;
— biogas injection (through peripheral nozzles and/or hanging gas lances). The choice of the mixing
equipment depends on the size and shape of the digester. There are digesters which are equipped
with more than one mixing system, for example, with a draft tube mixer at its centre
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 19388
Première édition
2023-03
Valorisation, recyclage, traitement et
élimination des boues — Exigences et
recommandations pour l'exploitation
des installations de digestion
anaérobie
Sludge recovery, recycling, treatment and disposal — Requirements
and recommendations for the operation of anaerobic digestion
facilities
Numéro de référence
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Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction . vi
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives .1
3 Termes, définitions et termes abrégés . 1
3.1 Termes et définitions . 1
3.2 Termes abrégés . 3
4 Principes de base . 3
4.1 Périmètre . . 3
4.2 Principe . 4
4.3 Prétraitement . 5
4.3.1 Généralités . 5
4.3.2 Prétraitement physique . 8
4.3.3 Prétraitement chimique . 9
4.3.4 Hydrolyse enzymatique . 9
4.4 Digesteur . . 9
4.4.1 Forme . 9
4.4.2 Configurations . 10
4.4.3 Système de brassage . 11
4.4.4 Système de chauffage . 14
4.4.5 Température d'exploitation . 15
4.4.6 Description de la filière .15
5 Performances de la digestion .16
5.1 Composition des intrants . 16
5.2 Caractérisation des intrants . 16
5.3 Évaluation de la production potentielle de méthane . 16
5.4 Évaluation des risques de formation de mousses . 20
5.5 Propriétés rhéologiques . 21
5.6 Estimation de la qualité du biogaz . 21
6 Performance opérationnelle .22
6.1 Prétraitement . 22
6.1.1 Généralités .22
6.1.2 A-coups de charge ou surcharge du digesteur .23
6.1.3 Chauffage insuffisant ou excessif . 23
6.1.4 Mise en service et démarrage . 23
6.1.5 Efficacité du brassage et temps de séjour hydraulique. 25
6.1.6 Circuit du biogaz . 26
6.1.7 Contrôle du gaz . 27
6.1.8 Production de CH . 27
6.1.9 Suivi du processus .28
6.1.10 Retours en tête .29
6.2 Qualité et caractéristiques du digestat .29
6.2.1 Efficacité du processus .29
6.2.2 Déshydratabilité .29
6.2.3 Qualité du biogaz . .30
6.2.4 Quantité de biogaz . 30
6.2.5 Traitement du biogaz . 31
7 Sécurité des procédés — Dépistage des problèmes .32
7.1 Régulation de la pression . 32
7.2 Arrêt des systèmes CHP . 32
7.3 Gestion des odeurs . 32
7.4 Formation de mousses . 32
iii
7.5 Corrosion . 33
7.6 Dépôts de struvite . 33
7.7 Élimination des sables et graviers . 33
Annexe A (informative) Stabilisation des boues .34
+
Annexe B (informative) Paramètres chimiques de l'ammonium — Valeurs de pKa NH /NH .37
3 4
Bibliographie .38
iv
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a
été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir
www.iso.org/directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 275, Valorisation, recyclage,
traitement et élimination des boues.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
v
Introduction
Le marché de la digestion anaérobie des boues des stations d'épuration des eaux usées ne cesse de
croître à l'échelle mondiale. Le procédé de digestion anaérobie présente plusieurs avantages pour
le traitement des boues: diminution du volume des boues, recyclage des matières organiques et
valorisation énergétique.
De ce fait, la normalisation des conditions d'exploitation est un point essentiel pour assurer un
développement efficace du traitement par digestion anaérobie. Du fait des nombreux risques que peut
présenter ce procédé, des mesures de sécurité adaptées doivent être appliquées. Les paramètres de
sécurité sont inclus dans les analyses des risques (par exemple, HAZOP).
Par conséquent, les objectifs du présent document sont les suivants:
— réduire la quantité de matières volatiles, atténuer les émissions de mauvaises odeurs et produire du
biogaz;
— obtenir une bonne stabilité et une bonne performance du processus;
— maximiser la qualité des sous-produits: qualité du digestat et qualité du biogaz pour ses différents
usages (injection de biogaz valorisé dans le réseau de gaz, stockage de biogaz liquéfié, réutilisation
comme carburant, production d'électricité et de chaleur);
— assurer une exploitation sûre et fiable: la sécurité industrielle des conduites et du réseau
d'automatisation ainsi que des équipements de production de biogaz est un point particulièrement
important;
— réduire les émissions de gaz à effet de serre, en particulier de méthane.
La stabilisation anaérobie ne signifie pas l'hygiénisation des boues, la réduction des pathogènes étant
seulement de 1 log à 3 log. Une réduction plus importante ne peut être obtenue que dans des conditions
de température et avec un temps de séjour spécifiques, qui ne sont pas traités dans le présent document.
vi
NORME INTERNATIONALE ISO 19388:2023(F)
Valorisation, recyclage, traitement et élimination
des boues — Exigences et recommandations pour
l'exploitation des installations de digestion anaérobie
1 Domaine d'application
Le présent document établit des exigences et recommandations pour la digestion anaérobie des boues,
pour assurer un fonctionnement sûr et satisfaisant des installations de digestion anaérobie afin
d'obtenir une production de biogaz suffisante et de contrôler la qualité des sous-produits.
En particulier, le présent document décrit les conditions permettant d'optimiser le brassage dans le
réacteur et de bien gérer les systèmes de commande pour garantir une exploitation sûre et fiable. Les
performances des processus en termes de production de biogaz et de digestats sont présentées selon
les types de technologies disponibles sur le marché. Le mélange de boues avec des déchets (cosubstrat)
et le mélange de boues avec des déchets organiques afin d'augmenter la charge du digesteur, sont
également pris en considération.
Le présent document s'adresse aux décideurs et aux opérateurs en charge d'un système de digestion
anaérobie.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes, définitions et termes abrégés
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent.
L'ISO et l'IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l'adresse https:// www .electropedia .org/
3.1 Termes et définitions
3.1.1
micro-organisme méthanogène acétoclaste
micro-organisme anaérobie utilisant l'acétate comme principal substrat
3.1.2
digestion anaérobie
processus anaérobie réalisant deux fonctions de même importance: la stabilisation en milieu anaérobie
du substrat et la production d'énergie par la transformation du substrat en biogaz
3.1.3
potentiel méthanogène
BMP (biochemical methane potential)
volume de méthane produit pendant la dégradation de l'échantillon par rapport à la masse de
biosolides de l'échantillon, et exprimé dans des conditions normales de température (0 °C) et de
pression (1 013 hPa)
3.1.4
digestat
boue digérée
effluent restant du procédé de digestion anaérobie, comprenant la fraction solide et la fraction liquide
[SOURCE: ISO 20675:2018, 3.19]
3.1.5
gaz de digesteur
biogaz
mélange gazeux produit pendant la digestion anaérobie et composé essentiellement de méthane et de
dioxyde de carbone
3.1.6
alimentation
opération consistant à ajouter du substrat dans un digesteur anaérobie
3.1.7
hydrolyse
transformation biologique, chimique, thermique ou physique de la demande chimique en oxygène de la
fraction solide en demande chimique en oxygène dissoute, par réaction avec l'eau
3.1.8
phase
voies métaboliques distinctes
EXEMPLE Digestion en deux phases: hydrolyse/acidogenèse, suivie d'une acétogenèse/méthanogenèse.
3.1.9
substance facilement dégradable
substance qui est facilement et complètement dégradable par des micro-organismes
3.1.10
âge des boues
temps de séjour des solides dans un réacteur
Note 1 à l'article: Elle est généralement exprimée en j.
3.1.11
stabilisation
processus de conversion des substances organiques en matières dont la biodégradation est nulle ou
dont la biodégradation est lente
3.1.12
étape
l'une des parties successives d'un processus
EXEMPLE Digesteur en série, avec un digesteur primaire suivi d'un digesteur secondaire pour parachever le
processus.
3.1.13
substrat
intrants contenant des composés organiques dégradables
3.1.14
charge organique volumique
masse de substrat, mesurée en matières solides totales, matières volatiles, demande biochimique en
oxygène ou demande chimique en oxygène, traitée par volume du digesteur et par jour
3.2 Termes abrégés
AGV acides gras volatils
ATU test à l'allylthiourée (allyltiourea assay)
BMP potentiel méthanogène (biochemical methane potential)
CAPEX dépenses d'investissement (capital expenditure)
CHP cogénération de chaleur et d'électricité (combined heat and power)
DBO demande biochimique en oxygène
DCO demande chimique en oxygène
ECP polymère extracellulaire (extracellular polymer)
FOG corps gras, huiles et graisses (fats, oils and greases)
ITHP processus intermédiaire d'hydrolyse thermique (intermediate thermal hydrolysis process)
MV matières volatiles
OPEX dépenses opérationnelles (operational expenditure)
OUR demande en oxygène (oxygen uptake rate)
SOUR demande spécifique en oxygène (specific oxygen uptake rate)
TS matières solides totales (total solids)
TSH temps de séjour hydraulique
TSS temps de séjour des solides
4 Principes de base
4.1 Périmètre
La Figure 1 décrit la configuration du système de digestion anaérobie. Le présent document porte
principalement sur le fonctionnement des digesteurs anaérobies et sur les prétraitements.
Figure 1 — Configuration type d'un système de digestion anaérobie
4.2 Principe
La digestion anaérobie est un processus essentiel dans le traitement des eaux usées; elle permet un
traitement efficace des flux de déchets solides et une valorisation des ressources. La digestion anaérobie
nécessite généralement des boues primaires. Ces boues primaires génèrent l'essentiel de la production
de gaz de digesteur. Des boues secondaires ou tertiaires peuvent également être stabilisées, mais il
convient de les épaissir (généralement par des procédés mécaniques) avant de procéder à leur digestion
anaérobie. La généralisation des procédés de traitement des eaux usées basés sur des boues activées,
e
en particulier au cours du 20 siècle, nécessitait que la digestion permette de stabiliser efficacement
les gros volumes de boues activées générées en excès. Le principal objectif de la digestion anaérobie
dans le traitement des eaux usées est d'assurer une désintégration et une destruction des matières
dégradables de la fraction solide des boues afin de réduire cette fraction et de diminuer la masse et le
volume des matières après déshydratation ou séchage.
Ce traitement permet de récupérer des ressources utiles, notamment du biogaz combustible (méthane)
ainsi que les nutriments contenus dans les boues du digesteur. La digestion anaérobie implique
la décomposition microbienne des composés organiques présents dans les boues des eaux usées
(protéines, glucides et lipides) en l'absence d'oxygène dissous. Les micro-organismes qui entrent en
jeu dans la digestion anaérobie se composent d'un consortium microbien complexe caractérisé par
des propriétés métaboliques et des exigences physicochimiques diverses. Les principaux produits
de la digestion anaérobie, outre les matières solides digérées et stabilisées riches en phosphore, sont
l'eau, riche en ammoniac et fortement alcaline, et le biogaz, qui se compose principalement de méthane
(généralement entre 60 % v/v et 70 % v/v) et le dioxyde de carbone (généralement une fraction
volumique comprise entre 30 % et 40 %), ainsi que d'autres éléments mineurs comme l'hydrogène,
l'azote, le sulfure d'hydrogène et les siloxanes. La composition du gaz de digesteur dépend de la qualité
du substrat. Elle peut être différente pour des boues industrielles ou en cas d'ajout d'autres substrats.
La digestion anaérobie transfère l'énergie des matières solides vers le gaz de digesteur (méthane). Seule
une infime partie de l'énergie est utilisée pour la production de biomasse. D'après un calcul théorique,
chaque kilogramme de DCO éliminée aboutit à 0,35 m de méthane, équivalent à 3,5 kWh d'énergie par
kg de DCO éliminée.
La digestion anaérobie se déroule en quatre étapes biologiques distinctes, à savoir l'hydrolyse,
l'acidogenèse, l'acétogenèse et la méthanogenèse; il est admis d'ajouter une étape de prétraitement
supplémentaire avant l'hydrolyse, pour les intrants contenant des particules solides, afin de fragmenter
[50]
ces éléments solides en particules plus petites et de favoriser l'hydrolyse .
— Hydrolyse: L'hydrolyse génère des composés organiques solubles (par exemple, sucres) à partir
des matières volatiles que les micro-organismes peuvent assimiler à travers leurs membranes
cellulaires. L'hydrolyse est généralement l'étape limitante du processus de digestion.
— Acidogenèse: Les composés hydrolysés produits pendant l'étape d'hydrolyse sont ensuite convertis
en un mélange d'acides gras volatils à chaîne courte (par exemple, acide acétique, acide propionique,
acide butyrique et acide valérique), d'alcools, d'esters, de sucres et d'autres composés organiques
simples (par exemple, acide carbonique), par divers micro-organismes appelés acidogènes. La
proportion relative des différents coproduits métaboliques (H et CO ) dépend de la qualité du
2 2
substrat ainsi que des conditions d'exploitation.
— Acétogenèse: Les produits de l'acidogenèse sont ensuite transformés en acide acétique, en dioxyde de
carbone (CO ) et en dihydrogène (H ) par des micro-organismes acétogènes. Les micro-organismes
2 2
acétogènes se multiplient plus lentement que les micro-organismes acidogènes,. Aussi, un contrôle
attentif du processus et un fonctionnement stabilisé du digesteur sont exigés pour éviter une
accumulation excessive des acides, induisant une chute du pH qui peut provoquer des perturbations
au niveau du digesteur voire un arrêt du processus. Toutefois, les micro-organismes les plus lents à
se développer sont les méthanogènes.
Certaines voies mineures, comme l'oxydation syntrophique de l'acétate, (oxydation de l'acétate
en H et CO ) réalisées par les micro-organismes méthanogènes, peuvent se produire et être
2 2
prévalentes dans des conditions de stress (par exemple, concentration élevée d'ammoniac due à un
taux important d'ammonium, pH élevé et température élevée).
— Méthanogenèse: Cette dernière étape aboutit à la production de méthane par des micro-organismes
méthanogènes (archées), soit à partir d'acétate, soit à partir d'hydrogène. En général, la source
principale de production de méthane (environ 70 %) est l'acétate, par le biais de méthanogènes
dits acétoclastes, et, pour les quelque 30 % restants de méthane produit, les méthanogènes
hydrogénotrophes. Le rapport entre le méthane généré à partir d'acétate et à partir d'hydrogène
varie selon les conditions d'exploitation et les caractéristiques du substrat. Les méthanogènes se
développent plus lentement que les acidogènes et les acétogènes, et sont aussi plus sensibles aux
contraintes environnementales (déséquilibre du pH et de la température, substances toxiques ou
inhibitrices comme l'oxygène libre ou perturbation de l'apport de nutriments).
Cette succession d'étapes met en évidence deux points nécessitant une attention particulière pour
optimiser la digestion anaérobie.
a) Les micro-organismes méthanogènes (essentiellement les méthanogènes acétoclastes) sont ceux
qui ont le développement le plus lent, car la différence d'énergie entre leur substrat et leurs produits
finaux est faible (autrement dit, ils gagnent peu d'énergie). Par ailleurs, ils sont particulièrement
sensibles aux phénomènes d'inhibition.
−1
Les Methanosarcina ont un taux de croissance maximal de 0,3 j et les Methanothrix un taux de
−1 [8]
croissance maximal de 0,1 j . Selon l'équation de Monod, le taux de croissance dépend de la
concentration en substrat. L'équation de Monod est donnée dans la Formule (1):
μ ×C K
max s i
μ= × (1)
KC+ KC+
ss ii
où
−1
μ est le taux de croissance, en j ;
−1
μ est le taux de croissance maximal pour une concentration illimitée en substrat, en j ;
max
K est une constante, en g/l, qui dépend du type de micro-organisme et de son substrat; si C = K ,
S S S
alors μ = 1/2 × μ ;
max
K est une constante, en g/l, qui dépend du type de micro-organisme et de son inhibiteur; si C = K ,
i i i
alors μ = 1/2 × μ ;
max
C est la concentration en inhibiteur, en g/l;
i
C est la concentration en substrat, en g/l.
s
b) L'hydrolyse est l'étape limitante du processus de digestion. Dans les cuves de stockage de
boues brutes, plutôt chauffées, se produit une hydrolyse biologique. Les particules de DCO sont
transformées en DCO dissoute et facilement dégradable.
La digestion en série se produit successivement dans un digesteur primaire fortement chargé, suivi
d'un digesteur secondaire moins chargé; le micro-organisme peut être le même aux deux étapes.
Une digestion en série (mésophile et mésophile) est plus efficace qu'un seul réacteur mésophile
parce que la distribution autour du temps de séjour moyen est plus resserrée.
4.3 Prétraitement
4.3.1 Généralités
Le premier prétraitement consiste généralement à épaissir le substrat. Il convient que le substrat qui
alimente le système présente une concentration en matières solides (30 g/l à 80 g/l) conforme aux
conditions d'exploitation du digesteur anaérobie. Il convient que cette concentration atteigne 150 g/l à
250 g/l en cas de codigestion de boues et d'autres déchets organiques. La concentration de boues et/ou
de déchets organiques doit être obtenue par gravité ou par épaississement mécanique.
Des prétraitements complémentaires améliorent les performances de la digestion anaérobie,
conduisant à une augmentation de la charge organique volumique et/ou de la production de gaz. Ces
prétraitements sont de préférence conçus de façon à améliorer l'hydrolyse des boues, qui est l'étape
limitante de la digestion anaérobie. Un tamisage fin de tous les substrats entrants est généralement
recommandé afin d'éliminer les éléments grossiers, comme les produits d'hygiène et de cosmétiques
et les matières plastiques. L'élimination du sable et des graviers réduit l'abrasion et l'usure des
équipements mécaniques, la formation de dépôts dans les canalisations et l'accumulation de sable dans
les digesteurs anaérobies.
Les avantages et les inconvénients des différents types de prétraitements à la digestion anaérobie sont
présentés au Tableau 1.
Les estimations à pleine échelle présentées dans le Tableau 1 sont des valeurs moyennes qui dépendent
des caractéristiques du procédé.
Tableau 1 — Avantages et inconvénients des différents types de prétraitements à la digestion anaérobie
Technique de prétraitement Type de Taux Biodégradation Élimination Déshydratabilité du Charge de Rendement OPEX CAPEX Référence
boues d'hydrolyse des MV digestat retour en tête en biogaz
(khyd) (NH4-N)
Prétraitement physique
Thermique < 100 °C, durée
d'application < 24 h (pasteurisa- Boues mixtes + ± ± ± –- ± ++ ++ [44]
tion)
Boues mixtes
+
[25];[26];[28];[29];[30];
–
et
Thermique > 100 °C ++ ++ ++ ++ ++ +++ [34];[35];[36];[37];
– consommation de
boues en
–- DCO
[38];[39];[41]
polymères
excès
Mécanique (homogénéisation à
±
haute pression, désintégration par [47];[45];[40];[26];
Boues mixtes +/++ + +/++ - + +/++ +/++
– consommation de
ultrasons [46];[33];[32]
polymères
et désintégration mécanique)
Prétraitement chimique
Boues mixtes
-
(indus-
Hydrolyse alcaline ++ + ++ – ± ++ ± [7]
– consommation de
trielles et
polymères
municipales)
+
-
Oxydation (O ) Boues mixtes ++ + ++ + ++ ++ [45]
3 - consommation de
– DCO
polymères
Prétraitement biologique
Enzymes Boues mixtes + ± ± + - ± +/++ ± [31];[43];[26]
Légende
+ : amélioration (+ faible, ++ moyenne, +++ importante)
-: dégradation (- faible, – moyenne, –-importante)
±: aucun changement significatif
Les signes(±) utilisés dans ce tableau sont estimés d'après des données de digestion anaérobie industrielle, avec ou sans prétraitements.
Une nouvelle configuration de traitement des boues biologiques en excès a été mise au point et consiste
en un ITHP. Les avantages potentiels de cette nouvelle configuration sont une réduction des matières
volatiles, une amélioration de la production de biogaz et une nette augmentation de la siccité des boues
[27]
digérées déshydratées .
4.3.2 Prétraitement physique
4.3.2.1 Hydrolyse thermique
L'hydrolyse étant l'étape limitante du processus, une pré-hydrolyse des boues brutes épaissies dans
une cuve de brassage et de stockage chauffée et agitée permet d'améliorer la performance globale du
procédé. L'hydrolyse peut également être réalisée via un prétraitement thermique à haute température
(entre 80 °C et 200 °C), avec ou sans ajout d'agents chimiques (acide ou caustique). La dégradation et la
production de gaz de digesteur sont accrues, et la déshydratabilité du digestat est améliorée.
Dans les processus d'hydrolyse thermique à haute température, la vapeur peut être injectée directement
dans la cuve d'hydrolyse des boues afin d'atteindre des températures comprises entre 140 °C et 170 °C
(des températures supérieures doivent être évitées afin de limiter la production de DCO réfractaire). La
1)
pression moyenne est de l’ordre de 4 bars à 6 bars et le temps de séjour habituel dans les conditions de
température et de pression indiquées ici est de 30 min. Un système de récupération de la chaleur inclut
généralement deux ou trois réacteurs: un pour le préchauffage et l'homogénéisation, un pour le temps
de réaction et un pour le refroidissement et la récupération de chaleur, respectivement.
L'hydrolyse peut aussi être améliorée en associant deux processus: thermique et alcalin. Ceux-ci
exigent des températures souvent plus basses ainsi que l'ajout d'agents chimiques. La température se
situe généralement autour de 70 °C et le pH varie entre 10 et 12. Par rapport à l'hydrolyse thermique
seule, la température et la pression de service sont plus basses, constituant l'intérêt principal de cette
configuration.
4.3.2.2 Hygienisation
La pasteurisation est la technologie la plus couramment employée en cas d'ajout de substrat organique
à assainir (par exemple, intrants provenant de déchets d'origine animale). Les intrants sont rapidement
chauffés à une température minimale de 70 °C pendant au moins 1 h. Dans le cas d'intrants provenant
de déchets d'origine animale, il convient que la granulométrie ne dépasse pas 12 mm afin d’assurer
que l'ensemble de la matrice est correctement hygiénisée. Un système de récupération de la chaleur
est généralement inclus, deux ou trois réacteurs étant habituellement prévus: un pour le chauffage, un
pour le temps de réaction et un pour le refroidissement et la récupération de chaleur.
4.3.2.3 Compression ou décompression — Homogénéisateur à haute pression
La mise en œuvre de conditions de dépression rapide pouvant atteindre 200 bars (par exemple,
20 MPa) dans un réacteur dédié (par exemple, une chambre de cavitation), pour faciliter la destruction
des micro-organismes et des structures de polymères en associant une forte chute de pression, des
turbulences et des forces de cisaillement, favorise la biodégradation anaérobie des boues.
4.3.2.4 Prétraitement par ultrasons
Le traitement par ultrasons repose sur le phénomène de cavitation et entraîne des pressions et des
températures élevées localisées. L'utilisation d'ultrasons de haute intensité, à une fréquence d'environ
20 kHz, permet de rompre les parois cellulaires, libérant des polymères de structure supplémentaires et
le contenu organique intracellulaire, en fractionnant les matières organiques pour les rendre facilement
biodégradables. Une fraction des boues à digérer, généralement épaissie ou déshydratée entre 6 % et
12 % de siccité, est introduite dans l'enceinte à ultrasons. Cette fraction est généralement d'environ
30 % et concerne essentiellement les boues biologiques. L'autre intérêt du traitement par ultrasons
tient à la destruction des bactéries filamenteuses en amont du digesteur.
1) 1 bar = 0,1 MPa = 105 Pa; 1 MPa = 1 N/mm .
4.3.2.5 Désintégration mécanique
Le prétraitement mécanique est utilisé pour détruire les cellules des boues biologiques. Ce procédé
favorise la dégradation du contenu des cellules. La désintégration permet d'accroître la production de
biogaz. L'injection à haute pression ou le broyage sont couramment utilisés. Seuls les broyeurs (à billes)
sont des systèmes de prétraitement mécanique, à moins de considérer la décompression comme un
traitement mécanique.
4.3.3 Prétraitement chimique
4.3.3.1 Oxydation à l'ozone ou au peroxyde d'hydrogène
Les traitements chimiques par voie oxydative visent essentiellement à détruire les acides gras non
saturés présents dans la membrane cellulaire des micro-organismes. La solubilisation des matières
organiques complexes, y compris des micro-organismes par oxydation puissante, est réalisée dans
un réacteur distinct et dédié. Dans la littérature, la dose d'ozone injectée est généralement d'environ
0,1 kg O /kg MS.
4.3.3.2 Modification du pH
Des composés chimiques acides ou alcalins sont ajoutés aux boues dans une cuve de conditionnement
chimique pour améliorer la capacité de dégradation des matières volatiles. La modification du pH peut
être associée à des prétraitements thermiques ou mécaniques (voir 4.3.2). Les composés chimiques
alcalins sont plus couramment utilisés. Le taux d'hydrolyse augmente proportionnellement à la
+ −
concentration en ions H ou OH . La lyse provoque la déstructuration des glucides, protéines et autres
biopolymères, et donc la dissolution de la paroi cellulaire.
4.3.4 Hydrolyse enzymatique
Certaines enzymes sont mélangées aux boues afin d'accélérer l'hydrolyse des composés organiques à
biodégradation lente pour obtenir des composés de plus petite taille faciles à convertir en méthane.
Les enzymes agissent en tant que catalyseurs de la réaction d'hydrolyse et ne sont pas consommées
au cours du processus de digestion anaérobie, mais éliminées par lessivage dans le digestat sans
impact sur l'environnement. Étant biodégradables, elles ne sont pas nocives pour l'environnement.
Les principaux types d'enzymes sont la cellulase, l'hémicellulase, la protéase, la lipase et la DNase. Les
conditions d'exploitation dépendent strictement de l'enzyme utilisée. En général, le mélange d'enzymes
est ajouté soit directement dans le digesteur, soit introduit par pompage dans la ligne d'alimentation.
Les enzymes peuvent être produites in situ dans un réacteur d'hydrolyse dédié, dans des conditions
de température et de pH spécifiques [voir 4.2 b)]. Ces exo-enzymes sont produites par des bactéries
hydrolytiques.
L'ajout temporaire d'enzymes peut être utile en cas de perturbation du digesteur. L'ajout continu
d'enzymes n'est pas une solution économique puisqu'elles sont éliminées avec les boues digérées.
4.4 Digesteur
4.4.1 Forme
Les boues sont généralement digérées, en une ou plusieurs étapes, dans un réacteur alimenté et brassé
plus ou moins en continu (CFMR, continuously fed and mixed reactor). Les principaux éléments de ces
réacteurs agités continus (CSTR, continuous stirred tank reactor) sont les réacteurs, les systèmes de
brassage, les couvertures et les systèmes de chauffage.
Il existe différents types de digesteurs anaérobies et de configurations. La forme des digesteurs est très
variable, depuis les digesteurs cylindriques peu profonds équipés ou non d'une couverture flottante
jusqu'aux digesteurs ovoïdes. Les équipements du digesteur, et notamment leur système de brassage,
dépendent de la forme du digesteur.
Il existe des systèmes de digestion à une étape ou dit en série (par exemple, mésophile et mésophile),
ces derniers offrant un taux de dégradation supérieur par unité de volume. Des processus
supplémentaires sont associés à la digestion anaérobie, par exemple la désinfection, la désintégration
ou l'hydrolyse (voir 4.3). Certains processus permettent d'éliminer les phosphates présents dans les
digesteurs anaérobies sous forme de struvite (magnésium-ammonium-phosphate), afin d'éviter des
dysfonctionnements opérationnels du digesteur et des équipements en aval et afin de récupérer le
phosphore. Les exigences opérationnelles dépendent du type de digesteur, de la configuration du
processus et de la coordination du processus.
Les caractéristiques des intrants, et en particulier sa concentration en matières solides, peuvent influer
sur le choix du système utilisé.
Des considérations opérationnelles supplémentaires existent: la digestion anaérobie dans les stations
d'épuration des eaux usées doit être extrêmement fiable, la production de boues brutes étant continue.
Les formes les plus courantes de digesteurs sont les suivantes, sans toutefois s'y limiter:
a) réacteurs cylindriques à fond plat, peu profonds, dont le rapport hauteur: diamètre est inférieur
à 1:2. Ces réacteurs sont, par exemple, courants aux États-Unis. Ils peuvent être équipés d'une
couverture flottante servant à retenir le biogaz, ou d'une couverture fixe. Le brassage fait
généralement intervenir une recirculation externe (par exemple, jet mélangeur), des mélangeurs
équipés de plusieurs tubes d'aspiration, ou l'injection de biogaz en différents points. Les dépôts
doivent être éliminés à intervalles de quelques années;
b) réacteurs cylindriques à fond plat, avec un rapport hauteur: diamètre au moins égal à 1:1. Ces cuves
sont courantes en Europe, par exemple en France et en Allemagne. Le brassage du digesteur est
généralement réalisé par des mélangeurs mécaniques ou par injection de biogaz en plusieurs points
d'injection;
c) réacteurs cylindriques à fond et à dôme coniques, avec un rapport hauteur: diamètre du cylindre
d'environ 1:1. Le dôme conique permet de concentrer la mousse sur une petite surface d'où elle
peut être extraite. Un tamisage fin étant désormais fréquent en amont du processus, ce modèle
est moins courant dans certains pays. Le brassage du digesteur se fait par recirculation externe
des boues (pour les digesteurs de petite taille), avec un mélangeur mécanique central à tubes
d'aspiration ou par injection périphérique de biogaz;
d) les digesteurs ovoïdes ont été mis au point en Allemagne, mais sont également utilisés dans d'autres
pays. Ils sont employés dans des stations de dimension intermédiaire ou importante. Le brassage se
fait à l'aide d'un mélangeur mécanique central à tubes d'aspiration et/ou par injection périphérique
de gaz.
4.4.2 Configurations
Les digesteurs conventionnels sont conçus pour que le TSS soit égal au TSH. Le processus de digestion
avec TSS prolongé, dont le TSS est supérieur au TSH, est obtenu par épaississement du digestat suivi
du recyclage de ce digestat dans le digesteur. Il n'est toutefois pas adapté à des boues hautement
concentrées, car il est difficile d'avoir des équipements d'épaississement adaptés et les conditions
anaérobies risquent d'être perdues. La digestion anaérobie peut être conçue pour des digesteurs à un,
deux ou plusieurs étapes.
La digestion en série est généralement réservée aux stations d'épuration d'une capacité minimale de
20 000 équivalents-habitants. Les deux digesteurs peuvent fonctionner dans un mode d’exploitation
similaire ou le second être utilisé comme un épaississeur gravitaire. Dans ce cas, les boues sont
extraites du fo
...
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