Contribution à la modélisation et au contrôle des systèmes de digestion anaérobie

Abstract

Cette thèse porte sur l’étude des procédés de Digestion Anaérobie (DA) des substrats complexes pour la modélisation et le contrôle, notamment en présence d’un risque élevé de toxicité par l’azote. Dans une première partie, nous proposons une analyse mathématique d’un modèle simple de DA des Microalgues - riches en protéines -, baptisé MAD [117]. Sur la base du calcul des équilibres et de leur nature, nous expliquons comment les paramètres de contrôle (la charge organique, le taux de dilution et le pH) agissent sur les performances du procédé ainsi que sur la toxicité de l’ammoniaque. Nous déduisons alors les conditions idéales de fonctionnement permettant de maximiser le rendement du digesteur en biogaz. Comme les propriétés qualitatives des modèles complexes type ADM1 sont difficiles à appréhender, nous analysons, dans une seconde partie, le comportement qualitatif du modèle ADM1m [118] de la DA des microalgues à partir de celui du modèle MAD. Par la suite, nous procédons à la réduction du modèle ADM1m. En utilisant la méthode dite “d’association de variables d’états”, nous déduisons un modèle réduit MAD . Alors que cette méthode de réduction de modèle n’a jamais été validée expérimentalement, le modèle obtenu a été validé automatiquement par la méthode et confronté à des données expérimentales. Nous montrons que ce nouveau modèle (MAD ) est approprié pour synthétiser des lois de commande stabilisantes des digesteurs anaérobies. Nous démontrons qu’il peut aussi bien servir de base à un observateur pour estimer les états non mesurables du système. La co-digestion apparaît être la meilleure solution à adopter pour pallier les risques d’inhibitions de ces bioprocédés. Toutefois, le besoin des modèles de co-digestion de tels substrats complexes nous a amené, dans une troisième partie, à proposer une approche pour adapter le modèle MAD à la co-digestion des microalgues et des boues activées. En utilisant des données issues d’un réacteur pilote, le modèle proposé a été validé expérimentalement pour différentes proportions de co-substrats. Ce dernier donne un aperçu sur les dynamiques internes des procédés de co-digestion, une tâche difficile à aborder à l’échelle du laboratoire.