Traitement des déchets et des boues par ultrasons
Le biogaz est produit à partir de sources telles que les déchets organiques municipaux, les boues d’épuration, le fumier ou les déjections animales. Le traitement par ultrasons améliore la digestibilité de ces matières organiques, ce qui permet de produire davantage de biogaz et de réduire la quantité de boues résiduelles.
Le biogaz est un sous-produit de la décomposition de la matière organique par des bactéries anaérobies ou aérobies. Il se compose principalement de méthane, de dioxyde de carbone et de sulfure d’hydrogène. Le biogaz constitue ainsi une alternative renouvelable aux combustibles fossiles tels que le gaz naturel.
Les prix de l’énergie, les coûts des produits chimiques et de l’élimination des boues, la législation environnementale et d’autres enjeux, tels que la réduction des émissions odorantes, obligent les installations de traitement des déchets à améliorer l’efficacité de leurs procédés. La désintégration par ultrasons des matières organiques avant la digestion améliore considérablement la production de biogaz. Parallèlement, la sonication améliore l’aptitude des boues à la déshydratation et réduit la quantité de boues résiduelles à éliminer.
Les matières premières utilisées pour la production de biogaz sont des mélanges de diverses substances agrégées et floculées, de fibres, de virus et de bactéries, de cellulose et d’autres substances inorganiques. Les déchets alimentaires ainsi que les déchets organiques industriels et commerciaux, tels que les graisses ou la vinasse, constituent des matières premières complémentaires pour les digesteurs mésophiles et thermophiles. La cavitation ultrasonore détruit les agrégats et les structures cellulaires. Grâce à son action sur la structure des matières constitutives, les boues peuvent être déshydratées plus facilement. De plus, la destruction des agrégats et des parois cellulaires améliore la biodisponibilité des matières intracellulaires pour leur décomposition par les bactéries.
4x 4kW d’ultrasons de puissance pour la désintégration des boues
Augmentation du rendement en biogaz par sonication
Une étude récente a examiné les effets d’un prétraitement des boues par sonication dans une station municipale grecque de traitement des boues. (L’image de gauche montre l’installation pilote.) L’application d’un prétraitement par ultrasons à l’aide d’un Hielscher UIP1000hdT (20 kHz, 1000 W), avec un traitement des boues par ultrasons pendant 15 min, a montré une amélioration substantielle des performances de la digestion anaérobie, principalement reflétée par une augmentation de la production de biogaz. Par rapport aux boues non traitées, le rendement en biogaz est passé d’environ 16 ± 2 NL·d⁻¹ à 26 ± 2 NL·d⁻¹, soit une amélioration d’environ 63%. Cette amélioration est attribuée à la désintégration par ultrasons des flocs de boues et des structures cellulaires, qui a considérablement augmenté la demande chimique en oxygène soluble (DCO) et les concentrations en acides gras volatils, améliorant ainsi la biodisponibilité du substrat pour les microorganismes méthanogènes. Des rendements spécifiques en méthane plus élevés ont ainsi été obtenus sans modification de la teneur en méthane, qui est restée stable autour de 62%. Ces résultats confirment que le traitement par ultrasons à basse fréquence et à forte puissance constitue une stratégie de prétraitement efficace pour intensifier la digestion anaérobie en accélérant l’hydrolyse et en augmentant la fraction de matière organique facilement biodégradable. (cf. Gkalipidou et al., 2026)
Depuis 1999, Hielscher fournit des systèmes de désintégration par ultrasons d’une puissance unitaire allant jusqu’à 48kW à diverses stations de traitement des eaux usées, notamment à des installations municipales et industrielles de traitement des déchets dans le monde entier. Certains de ces systèmes ont amélioré le rendement en biogaz jusqu’à 25%.
La désintégration par ultrasons des déjections animales avant la digestion anaérobie améliore les rendements en biogaz.
Le tableau ci-dessous présente les besoins typiques en puissance pour différents débits volumiques. Le système à ultrasons est généralement intégré en ligne en amont de l’alimentation du digesteur. Il est également possible de faire recirculer les matières organiques du digesteur à travers le système à ultrasons avant de les renvoyer dans le digesteur. L’étape de traitement par ultrasons peut donc être facilement ajoutée aux installations existantes.
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Processeur ultrasonore puissant de 48kW pour la désintégration des boues
- Augmentation du rendement en biogaz
- Amélioration de la décomposition anaérobie
- Amélioration du comportement de sédimentation grâce au dégazage et à la désintégration des flocs
- Amélioration du rapport C/N pour la dénitrification
- Amélioration de l’épaississement des boues excédentaires
- Amélioration de la digestion et de l’aptitude à la déshydratation
- Réduction de la quantité de floculants
- Diminution des coûts d’élimination grâce à la réduction des boues résiduelles après digestion
- Réduction de la quantité de polymère nécessaire
- Destruction des bactéries filamenteuses
Nous recommandons de réaliser des essais à l’échelle pilote, par exemple avec des systèmes de 1 à 4kW. Ces essais mettront en évidence les effets généraux et les améliorations possibles pour le flux spécifique de votre procédé. Nous serons heureux de discuter de votre procédé avec vous et de vous recommander les étapes suivantes.
Le UIP6000hdT, un sonicateur puissant de 6000 watts, avec réacteur ultrasonore à cellule à circulation.
Bibliographie / Références
- Evdokia Gkalipidou, Asimina Koukoura, Ioanna Savvanidou, Marios G. Kostakis, Dimitrios Triantafyllos Gerokonstantis, Petros Mastoras, Georgia Gatidou, Michail S. Fountoulakis, Stergios Vakalis, Olga S. Arvaniti, Nikolaos S. Thomaidis, Olga-Ioanna Kalantzi, Athanasios S. Stasinakis (2026): Evaluation of a pilot system coupling thermal and ultrasound pretreatment, anaerobic digestion and hydrothermal carbonization for sewage sludge treatment and per- and polyfluoroalkyl substances removal. Chemical Engineering Journal, Volume 532, 2026.
- Antonio-Abdu Sami M. Magomnang and Sergio C. Capareda (2018): Effects of Sequential Sodium Hydroxide Ultrasonication and Hot Water Treatment of Rice Straw and Coconut Shell on Biogas Production. Indian Journal of Science and Technology Vol. 11 (18), 2018. 1-12.
- Yasuo Tanaka (2002): A dual purpose packed-bed reactor for biogas scrubbing and methane-dependent water quality improvement applying to a wastewater treatment system consisting of UASB reactor and trickling filter. Bioresource Technology, Volume 84, Issue 1, 2002. 21-28.
- Pérez-Elvira S, Fdz-Polanco M, Plaza FI, Garralón G, Fdz-Polanco F. (2009): Ultrasound pre-treatment for anaerobic digestion improvement. Water Science Technology 60(6), 2009. 525-32.
- Lisa A. Davies, Andrew Dargue, John R. Dean, Michael E. Deary (2015): Use of 24kHz ultrasound to improve sulfate precipitation from wastewater. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 23, 2015.
Questions fréquentes
Qu’est-ce que le traitement des déchets et des boues pour la production de biogaz ?
Le traitement des déchets et des boues pour la production de biogaz repose sur la digestion anaérobie de matières organiques, telles que les déchets agricoles, les boues d’épuration et les déchets alimentaires, dans des environnements contrôlés. Au cours de ce processus, les microorganismes décomposent la matière organique en l’absence d’oxygène, produisant du biogaz – un mélange principalement composé de méthane et de dioxyde de carbone. Ce biogaz peut être utilisé comme source d’énergie renouvelable. Le traitement produit également un sous-produit riche en nutriments, appelé digestat, qui peut être utilisé comme engrais, renforçant ainsi la durabilité des pratiques de gestion des déchets.
Qu’est-ce que le recyclage du phosphore à partir des boues ?
Le recyclage du phosphore à partir des boues consiste à récupérer le phosphore, un nutriment essentiel, dans les boues d’épuration, qui sont souvent traitées dans les stations de traitement des eaux usées. La sonication est utilisée dans ce processus en appliquant aux boues des ondes sonores à haute fréquence, qui désorganisent les parois cellulaires des microorganismes et favorisent la libération du phosphore contenu dans les matières organiques. Cela améliore l’efficacité de la récupération du phosphore et le rend plus accessible pour les étapes ultérieures d’extraction et de purification, contribuant ainsi à sa réutilisation durable en agriculture. Découvrez comment la sonication augmente la récupération du phosphore à partir des boues !