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.
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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
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ISO 19388:2023(E)
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Published in Switzerland
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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
4
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
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ISO 19388:2023(E)
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
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ISO 19388:2023(E)
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).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
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.
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ISO 19388:2023(E)
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.
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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)
1
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ISO 19388:2023(E)
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
2
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ISO 19388:2023(E)
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
3
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ISO 19388:2023(E)
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
3
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
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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.
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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.
6
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ISO 19388:2023(E)
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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]
3
- polymer demand – COD
Biological pr
...
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
ISO 19388:2023(F)
© ISO 2023
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ISO 19388:2023(F)
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y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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CH-1214 Vernier, Genève
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Publié en Suisse
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ISO 19388:2023(F)
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
4
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
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ISO 19388:2023(F)
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
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ISO 19388:2023(F)
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.
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ISO 19388:2023(F)
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
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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)
1
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ISO 19388:2023(F)
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
2
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ISO 19388:2023(F)
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
3
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ISO 19388:2023(F)
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,
3
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).
4
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ISO 19388:2023(F)
— 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 dis
...
ISO/DISFDIS 19388:2022(E)
Date : 2022-07-28
ISO TC 275/WG 3
Secretariat: AFNOR
Sludge recovery, recycling, treatment and disposal — Requirements and
recommendations for the operation of anaerobic digestion facilities
First edition
Date: 2022-11-28
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
© ISO 2022
All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no
part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means,
electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without
prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or
ISO's member body in the country of the requester.
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Phone: + 41 22 749 01 11
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Published in Switzerland.
ii © ISO 2022 – All rights reserved
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
Contents
Foreword . 5
Introduction. 6
1 Scope . 8
2 Normative references . 8
3 Terms, definitions and abbreviated terms . 8
3.1 Terms and definitions . 8
3.2 Abbreviated terms . 10
4 Fundamentals . 10
4.1 Boundaries . 10
4.2 Principle . 11
4.3 Pre-treatment . 13
4.3.1 General . 13
4.3.2 Physical pre-treatment . 15
4.3.3 Chemical pre-treatment . 16
4.3.4 Enzymatic hydrolysis . 16
4.4 Digester . 16
4.4.1 Shape . 16
4.4.2 Configurations . 17
4.4.3 Mixing system . 18
4.4.4 Heating system . 21
4.4.5 Operating temperature . 21
4.4.6 Line description . 21
5 Digestion performance . 22
5.1 Feedstock composition . 22
5.2 Feeding characterization . 23
5.3 Evaluation of the potential production of methane . 23
5.4 Assessment of foaming risks . 27
5.5 Rheological properties . 27
5.6 Prediction of biogas quality . 28
6 Operating performance . 28
6.1 Pre-treatment . 28
6.1.1 General . 28
6.1.2 Shock loading or digester over-loading . 29
6.1.3 Inadequate or excessive heating. 30
6.1.4 Commissioning, start-up . 30
6.1.5 Mixing efficiency and hydraulic retention time . 31
6.1.6 Gas system . 33
6.1.7 Gas monitoring . 34
6.1.8 CH production . 34
4
6.1.9 Process monitoring . 34
6.1.10 Return liquors . 35
6.2 Digestate quality and characteristics . 35
6.2.1 Process efficiency . 35
6.2.2 Dewaterability . 36
6.2.3 Biogas quality . 36
6.2.4 Biogas quantity . 37
6.2.5 Biogas conditioning . 37
7 Process safety — Trouble shooting . 38
© ISO 2022 – All rights reserved iii
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
7.1 Pressure control . 38
7.2 Stop of CHP machines . 38
7.3 Odour management . 38
7.4 Foaming . 39
7.5 Corrosion . 39
7.6 Struvite deposits . 39
7.7 Sand and grit removal . 39
Annex A (informative) Stabilization of sludge . 41
Annex B (informative) Chemical parameters of ammonium — pKa values of . 44
Bibliography . 45
iv © ISO 2022 – All rights reserved
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
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).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
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.
© ISO 2022 – All rights reserved v
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
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.
Absolute anaerobic stabilization doesn’tdoes 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 © ISO 2022 – All rights reserved
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
ISO/TC 255 “Biogas” is responsible for standardization in the field of biogas produced by anaerobic
digestion, gasification from biomass and power to gas from biomass sources.
ISO/TC 275 “Sludge recovery, recycling, treatment and disposal” does not include this subject in its work
program but takes into account resulting prescriptions for biogas injection or other uses. A liaison
between ISO/TC 275 and ISO/TC 255 is established to ensure that biogas recovery prescriptions are
consistent with economic constraints of this very ecological process.
© ISO 2022 – All rights reserved vii
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FINAL DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/FDIS 19388:2022(E)
Sludge recovery, recycling, treatment and disposal -
Guidelines — Requirements and recommendations for the
operation of anaerobic digestion facilities
1 Scope
This document establishes good practicesrequirements 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 in the scope.
This document is applicable for theto 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 microorganismsmicroorganism
anaerobic microorganismsmicroorganism 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)
the 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 (0 °C, 1 013 hPa)
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
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
(equivalent 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
a 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
© ISO 2022 – All rights reserved 9
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
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.
10 © ISO 2022 – All rights reserved
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
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 % v/v to 40 % v/v),%), 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
3
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 more
[50]
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
© ISO 2022 – All rights reserved 11
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
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 of Monod is given in Formula (1):
µ ×C
K
max s
i
µ × (1)
K + C KC+
ss i i
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.
12 © ISO 2022 – All rights reserved
=
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
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.
© ISO 2022 – All rights reserved 13
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
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 and [25];[26];[28];[29];[30];[34];[
Thermal > 100 °C ++ ++ ++ ++ ++ +++
excess sludge 35];[36];[37];[38];[39];[41]
– polymer demand –- COD
Mechanical (pressure homogenizer,
±
[47];[45];[40];[46];[26];[46];[
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 3) 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.
14 © ISO 2022 – All rights reserved
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
A new excess biological sludge treatment configuration has been developed which consists of an
intermediate step of thermal hydrolysis (ITHP). The potential benefits of this new configuration are
volatile matter reduction, enhanced biogas production and a significant increase of the dewatered
[27]
digested sludge dryness. .
4.3.2 Physical pre-treatment
4.3.2.1 Thermal hydrolysis
BecauseAs hydrolysis is the r
...
FINAL
INTERNATIONAL ISO/FDIS
DRAFT
STANDARD 19388
ISO/TC 275
Sludge recovery, recycling, treatment
Secretariat: AFNOR
and disposal — Requirements and
Voting begins on:
2022-12-13 recommendations for the operation of
anaerobic digestion facilities
Voting terminates on:
2023-02-07
Valorisation, recyclage, traitement et élimination des boues — Lignes
directrices pour l'exploitation des installations de digestion anaérobie
RECIPIENTS OF THIS DRAFT ARE INVITED TO
SUBMIT, WITH THEIR COMMENTS, NOTIFICATION
OF ANY RELEVANT PATENT RIGHTS OF WHICH
THEY ARE AWARE AND TO PROVIDE SUPPOR TING
DOCUMENTATION.
IN ADDITION TO THEIR EVALUATION AS
Reference number
BEING ACCEPTABLE FOR INDUSTRIAL, TECHNO-
ISO/FDIS 19388:2022(E)
LOGICAL, COMMERCIAL AND USER PURPOSES,
DRAFT INTERNATIONAL STANDARDS MAY ON
OCCASION HAVE TO BE CONSIDERED IN THE
LIGHT OF THEIR POTENTIAL TO BECOME STAN-
DARDS TO WHICH REFERENCE MAY BE MADE IN
NATIONAL REGULATIONS. © ISO 2022
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
FINAL
INTERNATIONAL ISO/FDIS
DRAFT
STANDARD 19388
ISO/TC 275
Sludge recovery, recycling, treatment
Secretariat: AFNOR
and disposal — Requirements and
Voting begins on:
recommendations for the operation of
anaerobic digestion facilities
Voting terminates on:
Valorisation, recyclage, traitement et élimination des boues — Lignes
directrices pour l'exploitation des installations de digestion anaérobie
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be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on
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THEY ARE AWARE AND TO PROVIDE SUPPOR TING
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LOGICAL, COMMERCIAL AND USER PURPOSES,
DRAFT INTERNATIONAL STANDARDS MAY ON
Published in Switzerland
OCCASION HAVE TO BE CONSIDERED IN THE
LIGHT OF THEIR POTENTIAL TO BECOME STAN
DARDS TO WHICH REFERENCE MAY BE MADE IN
ii
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NATIONAL REGULATIONS. © ISO 2022
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
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 Pretreatment . 5
4.3.1 General . 5
4.3.2 Physical pre-treatment . 8
4.3.3 Chemical pretreatment . 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 Pretreatment . 21
6.1.1 General . 21
6.1.2 Shock loading or digester overloading .22
6.1.3 Inadequate or excessive heating . 22
6.1.4 Commissioning, startup . 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
4
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
© ISO 2022 – All rights reserved
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO/FDIS 19388:2022(E)
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
34
Bibliography .36
iv
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---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO/FDIS 19388:2022(E)
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 nongovernmental, 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).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
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
© ISO 2022 – All rights reserved
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
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.
Absolute 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
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FINAL DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/FDIS 19388:2022(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 decisionmakers 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)
1
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---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO/FDIS 19388:2022(E)
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
2
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
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 pretreatments.
Figure 1 — Typical system configuration of anaerobic digestion
3
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---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO/FDIS 19388:2022(E)
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 sludgebased 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
3
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 coproducts
(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
4
© ISO 2022 – All rights reserved
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ISO/FDIS 19388:2022(E)
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 twostage 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 codigestion of sludge and other organic waste.
Concentration of either sludge or organic waste, or both, shall be performed by gravity or mechanical
thickening.
Additional pretreatments 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 gri
...
PROJET
NORME ISO/FDIS
FINAL
INTERNATIONALE 19388
ISO/TC 275
Valorisation, recyclage, traitement et
Secrétariat: AFNOR
élimination des boues — Exigences et
Début de vote:
2022-12-13 recommandations pour l'exploitation
des installations de digestion
Vote clos le:
2023-02-07
anaérobie
Sludge recovery, recycling, treatment and disposal — Requirements
and recommendations for the operation of anaerobic digestion
facilities
LES DESTINATAIRES DU PRÉSENT PROJET SONT
INVITÉS À PRÉSENTER, AVEC LEURS OBSER-
VATIONS, NOTIFICATION DES DROITS DE PRO-
PRIÉTÉ DONT ILS AURAIENT ÉVENTUELLEMENT
CONNAISSANCE ET À FOURNIR UNE DOCUMEN-
TATION EXPLICATIVE.
OUTRE LE FAIT D’ÊTRE EXAMINÉS POUR
ÉTABLIR S’ILS SONT ACCEPTABLES À DES FINS
INDUSTRIELLES, TECHNOLOGIQUES ET COM-
Numéro de référence
MERCIALES, AINSI QUE DU POINT DE VUE
ISO/FDIS 19388:2022(F)
DES UTILISATEURS, LES PROJETS DE NORMES
INTERNATIONALES DOIVENT PARFOIS ÊTRE
CONSIDÉRÉS DU POINT DE VUE DE LEUR POSSI-
BILITÉ DE DEVENIR DES NORMES POUVANT
SERVIR DE RÉFÉRENCE DANS LA RÉGLEMENTA-
TION NATIONALE. © ISO 2022
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PROJET
NORME ISO/FDIS
FINAL
INTERNATIONALE 19388
ISO/TC 275
Valorisation, recyclage, traitement et
Secrétariat: AFNOR
élimination des boues — Exigences et
Début de vote:
2022-12-13 recommandations pour l'exploitation
des installations de digestion
Vote clos le:
2023-02-07
anaérobie
Sludge recovery, recycling, treatment and disposal — Requirements
and recommendations for the operation of anaerobic digestion
facilities
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© ISO 2022
Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
LES DESTINATAIRES DU PRÉSENT PROJET SONT
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
INVITÉS À PRÉSENTER, AVEC LEURS OBSER-
VATIONS, NOTIFICATION DES DROITS DE PRO-
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
PRIÉTÉ DONT ILS AURAIENT ÉVENTUELLEMENT
ISO copyright office
CONNAISSANCE ET À FOURNIR UNE DOCUMEN-
TATION EXPLICATIVE.
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
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ÉTABLIR S’ILS SONT ACCEPTABLES À DES FINS
Tél.: +41 22 749 01 11
INDUSTRIELLES, TECHNOLOGIQUES ET COM-
Numéro de référence
E-mail: copyright@iso.org
MERCIALES, AINSI QUE DU POINT DE VUE
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DES UTILISATEURS, LES PROJETS DE NORMES
INTERNATIONALES DOIVENT PARFOIS ÊTRE
Publié en Suisse
CONSIDÉRÉS DU POINT DE VUE DE LEUR POSSI-
BILITÉ DE DEVENIR DES NORMES POUVANT
SERVIR DE RÉFÉRENCE DANS LA RÉGLEMENTA-
ii
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TION NATIONALE. © ISO 2022
---------------------- Page: 2 ----------------------
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Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction . vi
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives .1
3 Termes, définitions et abréviations . 1
3.1 Termes et définitions . 1
3.2 Abréviations. 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 . 24
6.1.5 Efficacité du brassage et temps de séjour hydraulique. 25
6.1.6 Circuit du biogaz . 27
6.1.7 Contrôle du gaz .28
6.1.8 Production de CH .28
4
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 .33
iii
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ISO/FDIS 19388:2022(F)
7.5 Corrosion . 33
7.6 Dépôts de struvite . 33
7.7 Élimination des sables et graviers . 33
Annexe A (informative) Stabilisation des boues .35
Annexe B (informative) Paramètres chimiques de l'ammonium — Valeurs de pKa
+
NH /NH .38
34
Bibliographie .39
iv
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ISO/FDIS 19388:2022(F)
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 le lien suivant : www.iso.org/iso/fr/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
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ISO/FDIS 19388:2022(F)
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
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PROJET FINAL DE NORME INTERNATIONALE ISO/FDIS 19388:2022(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 abréviations
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)
1
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ISO/FDIS 19388:2022(F)
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
2
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3.2 Abréviations
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
3
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ISO/FDIS 19388:2022(F)
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,
3
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).
4
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ISO/FDIS 19388:2022(F)
— 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
...
Questions, Comments and Discussion
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