# Maîtrise des biofilms dans les réacteurs de méthanisation à biomasse fixée: retour sur 15 ans de recherche

Nicolas Bernet

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Nicolas Bernet. Maîtrise des biofilms dans les réacteurs de méthanisation à biomasse fixée: retour sur 15 ans de recherche. Colloque Bioadhésion, Biocontamination des surfaces (BioAdh2021), Mar 2021, Visioconférence, France. hal-04179465

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Submitted on 9 Aug 2023

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# Maîtrise des biofilms dans les réacteurs de méthanisation à biomasse fixée : retour sur 15 ans de recherche

NICOLAS BERNET

INRA UR 0050, LABORATOIRE DE BIOTECHNOLOGIE DE L'ENVIRONNEMENT, F-11100 NARBONNE

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<figure><img src="image_3.png" /></figure>
> Introduction

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La digestion anaérobie ou méthanisation >

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<figure><img src="image_6.png" /></figure>

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<figure><img src="image_9.png" /></figure>
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# Intérêt de la méthanisation

<figure><img src="image_11.png" /></figure>

<figure><img src="image_12.png" /></figure>

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<figure><img src="image_14.png" /></figure>
<figure><img src="image_15.png" /></figure>

# Traitement anaérobie d'effluents industriels

La plupart des procédés anaérobies de traitement d'effluents sont :

- Des réacteurs granulaires (UASB, EGSB, IC)

- Des procédés à biofilms (lits fixes, lits fluidisés)

## Filtre anaérobie

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Lit fluidisé</figcaption></figure>

## Procédés à lit mobile

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Lit turbulé inverse</figcaption></figure>

<figure><img src="image_18.png" /></figure>
➤ Plan de la présentation

1 - Démarrage des réacteurs : comment développer un biofilm actif le plus rapidement possible?

- Inoculation et choix du matériau

- Stratégie de démarrage

- Le rendement en méthane : un indicateur du développement du biofilm

2 – Après le démarrage: comment contrôler le procédé pour maintenir un biofilm actif?

- Filtre anaérobie: colmatage

- Lits mobiles : possibilité de contrôle dynamique

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Formation du biofilm >

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Modèle de formation du biofilm (Ghigo, 2003)</figcaption></figure>

Développement du biofilm

Équilibre dynamique entre croissance et détachement

Mécanismes du détachement

* Phénomènes physiques : cisaillement, collisions

* Phénomènes biologiques : vieillissement, prédation
> Démarrage des réacteurs :
comment développer un biofilm actif le plus
rapidement possible?

<figure><img src="image_21.png" /></figure>
<figure><img src="image_22.png" /></figure>

# Démarrage des réacteurs de méthanisation à biofilm

## Inoculation et choix du support

Origine et composition de l'inoculum

Rôle du support dans la sélection

Durée de la phase de contact batch avant
le démarrage du continu

<figure><img src="image_23.png" /></figure>

## Augmentation de la charge

Conditions opératoires (hydrodynamique, TSH)

Stratégie d'augmentation de la charge
appliquée

<figure><img src="image_24.png" /></figure>

<figure><img src="image_25.png" /></figure>
## Impact du matériau support sur l'adhésion

<figure><img src="image_26.png" /></figure>

Inoculation avec une communauté microbienne de méthanisation

Habouzit et al. (2011) Bioresource Technology
<figure><img src="image_27.png" /></figure>

# Impact du matériau support sur l'adhésion

## Caractérisation des matériaux (rugosité, énergie de surface)

## Caractérisation de l'adhésion après 2 h de contact :

- Analyse d'image (taux de recouvrement)

- Analyse des communautés (% Archées)

<figure><img src="image_28.png" /></figure>

<table><thead><tr><td>Materials</td><td>Adhesion (%)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Polypropylene (PP)</td><td>1.37 ± 0.44</td></tr><tr><td>Stainless steel</td><td>1.32 ± 0.31</td></tr><tr><td>Polyethylene (PE)</td><td>1.29 ± 0.38</td></tr><tr><td>Acrylonitrile butadiene styrene (ABS)</td><td>0.79 ± 0.20</td></tr><tr><td>Polycarbonate (PC)</td><td>0.68 ± 0.30</td></tr><tr><td>Borosilicate glass</td><td>0.29 ± 0.15</td></tr><tr><td>Polyvinyl chloride (PVC)</td><td>0.19 ± 0.12</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_29.png" /></figure>

## Impact du matériau support sur l'adhésion

<figure><img src="image_30.png" /></figure>

Habouzit et al. (2011) *Bioresource Technology*
# Impact du matériau support sur la colonisation

## Caractérisation de la colonisation après 15 jours

<figure><img src="image_31.png" /></figure>

<figure><img src="image_32.png" /></figure>
> Réacteur à lit turbulé inverse (LTI)

Réacteur triphasique

- Fluidisation par recirculation du biogaz

- Matériau particulaire flottant

☞ Bon mélange

☞ Contrôle facile de l'expansion du lit

☞ Décanteur pour récupérer la biomasse en excès

☞ Contraintes hydrodynamiques (contrôle du biofilm)

<figure><img src="image_33.png" /></figure>

<figure><img src="image_34.png" /></figure>
> Réacteur à lit turbulé inverse (LTI)

Particules de matériau

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Ø=192 µm

ρ = 0,696

<figure><img src="image_36.png" /></figure>

<figure><img src="image_37.png" /></figure>
> Réacteur à lit turbulé inverse (LTI)

<figure><img src="image_38.png" /></figure>

pH = 7

V = 7.24L

t°C = 37°C

Alimentation : vin dilué
<figure><img src="image_39.png" /></figure>

# Impact de l'hydrodynamique sur le développement du biofilm

## LTI : caractérisé par une forte turbulence qui génère de l'attrition

<figure><img src="image_40.png" /></figure>

### Impact de l'hydrodynamique sur la croissance du biofilm

#### Démarrage de 2 LTI : 2 vitesses de gaz différentes

* Faibles contraintes: $Ug_1 = 1\text{mm.s}^{-1}$ = vitesse minimale de fluidisation

* Fortes contraintes: $Ug_2 = 10 \text{ mm.s}^{-1}$ = vitesse maximale

## Uniformisation des vitesses après la phase de colonisation

<figure><img src="image_41.png" /></figure>

### Contrôle actif de l'épaisseur du biofilm

#### Après la phase de démarrage

⇒ Uniformisation des vitesses de gaz: $Ug_1 = Ug_2 = 7 \text{ mm.s}^{-1}$

<figure><img src="image_42.png" /></figure>
<figure><img src="image_43.png" /></figure>

# Impact de l'hydrodynamique sur le développement du biofilm

## Conditions de démarrage

Inoculation massive en batch pendant 24h

Alimentation en continu

* TSH = 1 jour

* Taux de dilution > taux de croissance des microorganismes

## Montée en charge

Progressive avec un maintien de 80% d'épuration de la matière organique (DCO)

**Vitesse élevée** : 0,5 à 6 gDCO.L⁻¹.j⁻¹ en **72 jours**

**Vitesse faible** : 0,5 à 6 gDCO.L⁻¹.j⁻¹ en **64 jours**
<figure><img src="image_44.png" /></figure>

# Impact de l'hydrodynamique sur le développement du biofilm

## Accumulation de biofilm

<figure><img src="image_45.png" /></figure>

Cresson et al. (2007) Water Research

INRAE

Maîtrise des biofilms dans les réacteurs de méthode

Faibles contraintes

<figure><img src="image_46.png" /></figure>

Fortes contraintes

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<figure><img src="image_49.png" /></figure>

# Impact de l'hydrodynamique sur le développement du biofilm

Faibles contraintes

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<figure><img src="image_51.png" /></figure>

Fortes contraintes

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Cresson et al. (2007) Water Research
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# Impact de l'hydrodynamique sur le développement du biofilm

## Egalisation des vitesses de gaz

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<figure><img src="image_56.png" /></figure>

# Impact de l'hydrodynamique sur le développement du biofilm

## Egalisation des vitesses de gaz

<figure><img src="image_57.png" /></figure>

Egalisation des vitesses de gaz

Ug = 7mm.s⁻¹

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# Impact de l'hydrodynamique sur le développement du biofilm

## Egalisation des vitesses de gaz

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Cresson et al. (2007) Water Research
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# Impact de l'hydrodynamique sur le développement du biofilm

## Egalisation des vitesses de gaz

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Cresson et al. (2007) Water Research
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# Impact de l'hydrodynamique sur le développement du biofilm

## Egalisation des vitesses de gaz

<figure><img src="image_64.png" /></figure>

Cresson et al. (2007) Water Research
> Impact de l'hydrodynamique sur le développement du biofilm

**Faibles contraintes:**

⇒ Démarrage plus rapide, plus de biofilm

**Fortes contraintes:**

⇒ Activité spécifique plus élevée:

3,5 g DCO / g Biofilm . j vs. 1,8 g DCO / g Biofilm . j

Pendant le démarrage, il faut maximiser l'accumulation de biofilm

### **Egalisation des vitesses de gaz**

⇒ Augmentation de la vitesse ⇌ faible augmentation du détachement

⇒ Baisse de la vitesse ⇌ augmentation de l'accumulation de biofilm

Après stabilisation, même comportement des deux réacteurs

Après le démarrage, **utilisation de la vitesse de gaz pour contrôler l'épaisseur du biofilm**
# Impact du Temps de Séjour Hydraulique sur le développement du biofilm

## Conditions de démarrage

Inoculation ⇔ période batch très courte (quelques heures)

Faibles contraintes hydrodynamiques : $U_g = 1\text{mm.s}^{-1}$

## Montée en charge

Augmentation exponentielle de la charge de $0,5 \text{ à } 20 \text{ g}_{\text{COD}} \cdot \text{L}^{-1} \cdot \text{j}^{-1}$ en 30 jours

### Lessivage rapide

$\text{TSH constant} \text{ TSH} = 1 \text{ jour, concentration croissante en } \text{DCO}_{\text{in}}$

$\text{DCO}_{\text{in}} \text{ de } 0,5 \text{ (t0) à } 20 \text{ g}_{\text{DCO}} \cdot \text{L}^{-1} \text{ (t+31 jours)}$

### Lessivage progressif

$\text{DCO}_{\text{in}} \text{ constante} = 20 \text{ g}_{\text{COD}} \cdot \text{L}^{-1}$

$\text{TSH décroissant de } 40 \text{ jours (t0) à } 1 \text{ jour (t+31days)}$

<figure><img src="image_65.png" /></figure>
<figure><img src="image_66.png" /></figure>

# Impact du Temps de Séjour Hydraulique sur le développement du biofilm

Montée en charge

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Cresson et al. (2008) Water Research
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# Impact du Temps de Séjour Hydraulique sur le développement du biofilm

## Croissance du biofilm

<figure><img src="image_69.png" /></figure>

Cresson et al. (2008) Water Research
> Impact du Temps de Séjour Hydraulique sur le développement du biofilm

<figure><img src="image_70.png" /></figure>

<figure><img src="image_71.png" /></figure>

Biomasse planctonique vs biomasse fixée

Maîtrise des biofilms dans les réacteurs de méthanisation à biomasse fixée

p. 30
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# Impact du Temps de Séjour Hydraulique sur le développement du biofilm

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<figure><img src="image_74.png" /></figure>

Biomasse planctonique vs biomasse fixée
# Impact du Temps de Séjour Hydraulique sur le développement du biofilm

## Performances des réacteurs

* Les deux stratégies ont permis d'atteindre l'objectif initial, mais

* **Lessivage rapide : meilleures performances**

<figure><img src="image_75.png" /></figure>

* Accumulation d'AGV

- Conversion éthanol / AGV : **7 % lessivage rapide** vs **13% lessivage progressif**

- **Lessivage progressif** : forte accumulation d'AGVs à la fin de la montée en charge : **2.5g.L⁻¹ vs 0.3 g.L⁻¹ pour le lessivage rapide)**

## Formation du biofilm

* **Lessivage rapide: accumulation de biofilm**

<figure><img src="image_76.png" /></figure>

<figure><img src="image_77.png" /></figure>

TSH court ↔ Taux de dilution > taux de croissance

Favorise le développement du biofilm
Validation à l'échelle pilote sur un lit fixe

Application des résultats obtenus au démarrage
d'un réacteur à lit fixe de 1 m³ alimenté avec des
vinasses de distillerie

<figure><img src="image_78.png" /></figure>

<figure><img src="image_79.png" /></figure>

Conditions de démarrage :

* Très courte inoculation en batch (quelques heures)

- TSH constant de 1 jour (utilisation d'un bac de dilution)

* Suivi du pH et des AGV
> Validation à l'échelle pilote sur un lit fixe

Montée en charge de 0.5 à 20 $g_{DCO} \cdot L^{-1} \cdot j^{-1}$ à 80% abattement de la DCO

⇒ La durée de la montée en charge dépend de la stratégie de montée en charge choisie :

<figure><img src="image_80.png" /></figure>

1. Montée en charge en imposant un abattement de 80% de la DCO : **53 jours**

2. Montée en charge plus aggressive suivant un schéma prédéfini : **34 jours**

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Confirme les résultats obtenus en LTI

Stratégies applicables pour le démarrage de digesteurs industriels
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# Le rendement en méthane : un indicateur du développement du biofilm

- $Y_{CH_4}$ = rapport du **méthane produit** sur la **DCO éliminée**

- $Y_{CH_4}$ augmente jusqu'à 0,35 NL.gDCO⁻¹ éliminée (0,39L à 35°C).

- Indicateur du ratio catabolisme/anabolisme (méthane vs. biofilm)

- Peut être utilisé en-ligne pour suivre le développement du biofilm

<figure><img src="image_83.png" /></figure>
> Après le démarrage:
comment contrôler le procédé pour maintenir
un biofilm actif?

<figure><img src="image_84.png" /></figure>
> Comment maintenir un biofilm actif ?

Réacteur à lit fixe

- Possibilité de ralentir le colmatage en utilisant des garnissages orientés (cloisonnyl)

- Colmatage inévitable à terme (plusieurs années de fonctionnement)

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<figure><img src="image_86.png" /></figure>

<figure><img src="image_87.png" /></figure>

<figure><img src="image_88.png" /></figure>
# Comment maintenir un biofilm actif ?

## Biofilm particulière

- Contrôle du cisaillement: vitesse de recirculation du liquid ou du gaz

- Augmentation par pulse de la vitesse de gaz dans un LTI : augmentation du détachement ($D_{bf}$)

- Changement sur le long terme: modification des caractéristiques du biofilm

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# Conclusions

## Démarrage

- Inoculation : temps de contact court

- Montée en charge: TSH court pour lessiver la flore plactonique et faibles contraintes hydrodynamiques

- Importance du choix du matériau pour favoriser l'adhésion des archées méthanogènes

## Etat d'équilibre

- Contrôle actif de l'épaisseur du biofilm pour maintenir des performances optimales : hydrodynamique

- Favoriser les procédés qui permettent un décolmatage occasionnel (matériau flottant)

<figure><img src="image_90.png" /></figure>
> Remerciements

**Chercheurs**

René Moletta, Pierre Buffière,
**Michel Torrijos**, Renaud Escudié,
J-Philippe Delgenès, J-Philippe Steyer

**Doctorants**

Sébastien Michaud,
Romain Cresson, Frédéric Habouzit

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<figure><img src="image_95.png" /></figure>

<figure><img src="image_96.png" /></figure>

<figure><img src="image_97.png" /></figure>

http://www.montpellier.inrae.fr/narbonne

nicolas.bernet@inrae.fr

<figure><img src="image_98.png" /></figure>