COMPARAISON DU BIOGAZ AVEC LES GAZ DES DISTRIBUTEURS ET LE CHARBON DE BOIS

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GENERALITE SUR LA PRODUCTION DE BIOGAZ

La dégradation des déchets, à l’origine de la production du biogaz, résulte en grande partie d’activités microbiologiques.
L’étape anaérobie se caractérise par la production de méthane (CH4). Elle se déroule elle-même en plusieurs phases successives qui peuvent être résumées comme suit :
• une étape initiale durant laquelle les matières organiques solides ou dissoutes sont fermentées et hydrolysées par des bactéries spécifiques (bactéries hydrolytiques et acidogènes) en acides gras volatils, alcools, dioxyde de carbone et hydrogène.
• une étape intermédiaire durant laquelle un groupe de bactéries acétogènes transforme les différents sous-produits formés lors de cette première phase en acide acétique, dioxyde de carbone et hydrogène. Les bactéries méthanogènes commencent à croître et à produire du méthane .
• l’étape finale durant laquelle le méthane est produit par les bactéries méthanogènes (anaérobies strictes, faible potentiel redox). Il s’agit de bactéries acétophiles qui convertissent l’acide acétique en méthane et de bactéries hydrogénophiles qui convertissent le dioxyde de carbone et l’hydrogène en méthane.
En phase de stabilisation de la méthanogénèse, la concentration en méthane peut atteindre 50 à 75 %.

Les conditions de production

Tel qu’indiqué ci-dessus, le biogaz est un mélange de méthane (CH4), de dioxyde de carbone (CO2) et de petites quantités d’hydrogène, d’azote, de monoxyde et d’autres composés. Ce mélange de gaz est combustible si sa teneur en méthane est supérieure à 50 %.
Dans la digestion anaérobique de la matière organique, les matières organiques complexes sont d’abord décomposées en acides organiques simples, alcools et CO2; ensuite, les acides organiques simples et le CO2 sont soit oxydés ou réduits en méthane.

Humidité

S’il y a trop d’eau, le taux de production de biogaz par unité de volume diminue; s’il n’y a pas assez d’eau, des acides acétiques vont s’accumuler et inhiber la fermentation et la production de biogaz. Pour cela la valeur optimale est le 40% de la masse totale du substrat.

Température

La température optimale est de 15° à 35° Celsius. Lorsque la température est adéquate, les micro-organismes sont plus actifs et une plus grande quantité de biogaz est produite.

Rapport C/N

Le carbone et l’azote sont les principaux nutriments dont les micro-organismes ont besoin. Le rapport C/N idéal est de 25/1 à 30/1. S’il y a trop de carbone, l’azote est digéré rapidement et le processus ralentit; s’il y a trop peu de carbone, celui-ci est consommé rapidement, le processus s’arrête et l’azote en trop s’échappe sous forme d’ammoniac.

pH

Les microorganismes ont besoin d’un milieu neutre ou légèrement alcalin avec un pH optimal de 6.8 à 7.6.

Les rôles de l’ingénieur sur la production de biogaz

L’ingénieur intervient tout au long du projet lors de la mise en œuvre d’un procédé de biométhanisation.
Voici en résumé les étapes auxquelles il participe :
 A l’évaluation de la quantité de matière organique à traiter, de son aptitude à être méthanisée, et de ses caractéristiques de méthanisation (temps de séjour nécessaire, conditions de fonctionnement optimales, production de biogaz, caractéristiques du digestat).
 A l’évaluation de la rentabilité du procédé et recherches de débouchés pour le biogaz produit.
 Au choix d’un traitement des digestats.
 Au dimensionnement du digesteur et des équipements annexes.
 Rédaction d’un cahier des charges qui servira à obtenir des offres de prix auprès des constructeurs.
 Au choix final de l’installation, suivi de la construction.
 A la mise en route du biométhaniseur et suivi régulier du procédé.
On peut voir alors que les tâches sont diverses et variées pour un seul et même procédé.

Méthanogénèse

La toute dernière étape de la biométhanisation permet de transformer l’acide acétique en méthane et dioxyde de carbone. L’hydrogène formé précédemment est consommé lors cette étape.
La méthanogénèse est mise en œuvre par des bactéries appelées Archaebactéries.
Les bactéries méhanogènes sont donc responsables de la production de biogaz.
Dans la communauté des bactéries méthanogènes, on peut distinguer :
• les hydrogénophiles, spécialisées dans la réduction du CO2 par l’H2, et productrices de méthane à partir d’acide formique :
CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O.
• Les acétoclastes, producteurs de méthane à partir d’acide acétique, de méthanol et de méthylamines :
CH3COOH CH4 + CO2.
CH3OH + H2 CH4 + H2O.
CH3NH2 + 1 H2 CH4 +H2O+ 1 N2.
Ces réactions sont lentes et peu exothermiques. Elles génèrent néanmoins 70 % du méthane produit.
Les méthanogènes sont des microorganismes anaérobies stricts, souvent extrêmement sensibles à l’action de l’oxygène et qui se développent dans des milieux réducteurs. Elles vivent en association avec d’autres bactéries anaérobies qui leur fournissent en continu les éléments H2, CO2 et acide acétique.
Leurs taux de croissance, optimum pour un pH compris entre 7 et 7,6 restent relativement faibles. La formation de méthane s’accompagne d’une consommation de H2, ce qui permet d’éviter l’inhibition de la réaction d’acétogénèse par une concentration trop importante d’H2.
La méthanisation complète donc les réactions précédentes et les favorise : les quatre phases décrites sont donc indissociables, formant un tout dynamique appelé fermentation méthanique.

La concentration des substances clefs

Les concentrations des éléments suivants doivent être comprises dans un intervalle spécifique :
 Matières organiques > 50% de la MS.
 Matières sèches du mélange des entrants < 40% MS, sinon la croissance des bactéries n’est plus assurée.
 Azote ammoniacal du mélange des entrants < 5 g/kg.

Le potentiel d’oxydoréduction

Ce paramètre représente l’état de réduction du système, il affecte l’activité des bactéries méthanogènes. Ces bactéries exigent en effet, outre l’absence d’oxygène, un potentiel d’oxydoréduction inférieur à 330 mV pour initier leur croissance.

Besoins nutritionnels

Comme tout micro-organisme, chaque bactérie constituant la flore méthanogène demande un apport suffisant de macroéléments (C, N, P, S) et d’oligo-éléments pour sa croissance.

Macroéléments

Les besoins en macroéléments peuvent être évalués grossièrement à partir de la formule brute décrivant la composition d’une cellule (C5H9O3N). Pour les bactéries méthanogènes, le milieu de culture doit avoir des teneurs en carbone (exprimé en DCO), en azote et en phosphore au minimum dans les proportions DCO/N/P égale à 400/7/1.
L’ammonium est leur principale source d’azote. Certaines espèces fixent l’azote moléculaire alors que d’autres ont besoin d’acides aminés. Les besoins en azote représentent 11 % de la masse sèche volatile de la biomasse et les besoins en phosphore 1/5 de ceux de l’azote.
Les bactéries méthanogènes possèdent de hautes teneurs en protéines Fe-S qui jouent un rôle important dans le système transporteur d’électrons et dans la synthèse de coenzymes. Ainsi, la concentration optimale de soufre varie-t-elle de 1 à 2 mM dans la cellule. Cette flore utilise généralement les formes réduites comme le sulfure d’hydrogène. Les méthanogènes assimilent le phosphore sous forme minérale.

Oligo-éléments

Certains oligo-éléments sont nécessaires à la croissance des méthanogènes. Il s’agit plus particulièrement du nickel, du fer et du cobalt. En effet, ce sont des constituants de coenzymes et de protéines impliquées dans leur métabolisme. Le magnésium est essentiel puisqu’il entre en jeu dans la réaction terminale de synthèse du méthane ainsi que le sodium apparaissant dans le processus chimio-osmotique de synthèse de l’ATP.
Il existe des facteurs de croissance stimulant l’activité de certains méthanogènes : acides gras, vitamines ainsi que des mélanges complexes comme l’extrait de levure.

Paramètres de fonctionnement et de suivi

Les principaux paramètres concernant le suivi des digesteurs anaérobies à alimentation continue sont la charge volumique appliquée et le temps de séjour hydraulique.

La charge appliquée

La composition des matières polluantes est le plus souvent complexe et variable. Il est possible de caractériser globalement les substrats à traiter par leur demande chimique en oxygène (DCO en mg O2/l). Ainsi, il est possible de calculer la charge organique introduite dans l’enceinte réactionnelle en kg de DCO/jour. Elle peut être massique dans le cas où elle s’énonce en fonction de la quantité de biomasse présente dans le réacteur. C’est la charge massique appliquée exprimée en kg de DCO/kg de MVES/jour.
La charge volumique appliquée (CVA), qui représente la charge appliquée à un certain volume de réacteur, s’exprime en kg de DCO par m3 de réacteur et par jour. Elle permet de comparer les conditions d’alimentation de différents digesteurs. C’est le paramètre de charge le plus utilisé en particulier pour les réacteurs à biomasse fixée pour lesquels l’accès à la concentration en biomasse est impossible.

Le temps de séjour hydraulique (TSH)

Le temps de séjour hydraulique (TSH ou temps de séjour théorique ou temps de passage) correspond à la durée théorique du contact entre l’effluent et la biomasse, c’est-à-dire la durée de séjour moyenne qu’un substrat passe à l’intérieur du digesteur. TSH= [ . ] [Jour] [ ].
Le temps de séjour hydraulique représente donc le rapport entre le volume du réacteur et le débit d’alimentation.
L’analyse de l’écoulement s’effectue à partir de la courbe de distribution des temps de séjour (DTS). Un traceur est injecté à l’entrée du réacteur. L’évolution de sa concentration en sortie en fonction du temps fournit la DTS qui permet de connaître le temps de séjour réel. Il se peut, en effet, qu’il diffère du temps de séjour théorique en raison de la présence de passages préférentiels ou de volume mort. La DTS permet également de déterminer le modèle hydraulique de l’écoulement dans le réacteur.
Dans les procédés à cellules fixées, comme le sont les lits fixes, les temps de séjour de l’effluent et de la biomasse sont différents.

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 : LE BIOGAZ
I. HISTORIQUE
II. GENERALITES SUR LE BIOGAZ
II.1 Composition du biogaz
II.2 Equivalence énergétique
II.3 Valorisations et Utilisations
II.3.1 Valorisation thermique
II.3.2 Valorisation électrique
II.3.3 Le biogaz-carburant
II.3.4 La cogénération
II.4 Avantages et inconvénients
II.4.1 Avantages
II.4.2 Inconvénients
III. GENERALITE SUR LA PRODUCTION DE BIOGAZ
III.1 Les conditions de production
III.1.1 Humidité
III.1.2 Température
III.1.3 Rapport C/N
III.1.4 pH
III.1.5 Oxygène
III.2 La quantité de biogaz qui peut être produite
III.3 Les rôles de l’ingénieur sur la production de biogaz
Chapitre 3 : LES DIFFERENTS PROCESSUSS DE LA PRODUCTION DE BIOGAZ ET LES PARAMETRES MIS EN JEU
I. LES PROCESSUS ET MICROBIOLOGIQUES DE LA PRODUCTION DE BIOGAZ
I.1 La biométhanisation
I.1.1 L’hydrolyse
I.1.2 L’acidogenèse
I.1.3 Acétogénèse
I.1.4 Méthanogénèse
I.2 Les différents paramètres mise en jeu lors de la méthanisation
I.2.1 Conditions physico-chimiques
I.2.1.1. Le pH
I.2.1.2. La température :
I.2.1.3. La concentration des substances clefs
I.2.1.4. Le potentiel d’oxydoréduction
I.2.2 Besoins nutritionnels
I.2.2.1 Macroéléments
I.2.2.2 Oligo-éléments
I.2.3 Paramètres de fonctionnement et de suivi
I.2.3.1 La charge appliquée
I.2.3.2 Le temps de séjour hydraulique (TSH)
I.2.3.3 La vitesse de dégradation des substrats
I.2.3.4 La commande
I.2.3.5 La télégestion
I. NOTIONS SUR LES DECHETS MENAGERS
I.1 Historique et quelques définitions
I.2 Origine
I.3 Compositions
I.3.1 Compositions chimiques des ordures ménagères
I.3.2 Compositions physiques des déchets ménagers
I.4 Classification des déchets
I.4.1 Classification suivant la nature chimique
I.4.2 Classification de déchets suivant la nature physique
Chapitre 5 : METHODES D’IDENTIFICATION DES DECHETS MENAGERS
I. COLLECTE DES ORDURES MENAGERES
I.1 Collecte globale
I.2 Collecte sélective
II. METHODES DE TRI
II.1 Le tri à la source
II.2 Le tri par collecte sélective
III. PREVISIONS DES DIFFERENTES RESSOURCES DE LA CUA POUR LA GESTION DES DECHETS MENAGERES
IV. PREVISION DE LA MISSION DU SAMVA
Chapitre 6 : LES DIFFERENTS TYPES DE TRAITEMENTS POSSIBLES
I. L’INCINERATION
II. LA MISE EN DECHARGE
II.1 Décharge brute
II.2 Décharge contrôlée
II.3 Décharge spéciale
III. L’ENFOUISSEMENT
IV. TRAITEMENT BIOLOGIQUE
CHAPITRE 7 : CONDITIONS EXPERIMENTALES ET EXPERIMENTATION
I. LA PREPARATION DES MATIERES PREMIERES
II. LES PARAMETRES A RESPECTER LORS DE LA PREPARATION DES MATIERES PREMIERES
II.1 La teneur en matières sèches MS
II.2 La teneur en matières volatiles MV
II.3 Le rapport entre carbone et azote C/N
II.4.1 Méthode d’identification du taux de carbone C
II.4.2 Méthode d’identification du taux d’azote N
II.4 Le pH du milieu
III. LA DILUTION DES MATIERES PREMIERES
IV. LE TRI ET BROYAGE DES MATIERES PREMIERES
V. DISPOSITIF EXPERIMENTAL
VI. CONDITIONS EXPERIMENTALES
VII. LES DONNEES EXPERIMENTALES
Chapitre 8 : RESULTAT ET INTERPRETATION
I. RESULTATS
II. INTERPRETATION
Chapitre 8: VALORISATION DU DIGESTAT
I. VALORISATION EN COMPOSTE
I.1 L’enlèvement des résidus dans le biodigesteur
I.2 Le séchage à l’air libre
I.3 La préparation de l’échantillon à analyser
I.3.1 L’étuvage
I.3.2 Le broyage
I.4 La détermination de la teneur en éléments fertilisantes et constitutifs
I.5 L’obtention du compost
I.6 La mise en sachet
II. VALORISATION EN PROVENDE
Chapitre 9 : ETUDE D’IMPACT ENVIRONNEMENTAL
I. METHODOLOGIE DE L’ETUDE
I.1 Objectif du projet
I.2 Secteur énergétique
I.3 Secteur du traitement des déchets
II. ETUDE DU CONTEXTE ET JUSTIFICATION DU PROJET
III.1 Contexte du projet
III.2 Justification du projet
III. DESCRIPTION DU PROJET
III.1 Composante du projet
III.2 Ressources naturelles utilisées
IV. DESCRIPTION TECHNIQUE DU PROJET
V.1 Effets temporaires de l’activité sur l’environnement et les mesures d’évitement
IV.1.1 Descriptions des impacts temporaires potentiels
IV.1.2 Addition et interaction des effets entre eux
V.2 Les effets permanents de l’activité sur l’environnement et les mesures d’évitement
IV.2.1 L’urbanisme
IV.2.2 Le paysage
IV.2.3 Activités agricoles voisines
IV.2.4 Le milieu naturel
IV.2.5 Pollution des sols et déversements accidentels
IV.2.6 Bruit et vibrations
IV.2.7 Emissions atmosphériques
IV.2.7.1 Biogaz et Gaz de combustion
IV.2.7.2 Poussières et envol
IV.2.8 Odeurs
IV.2.8.1 Les sources d’odeurs du projet
IV.2.8.2 Etat initial des odeurs
IV.2.9 Emissions de gaz à effet de serre et impact énergétique
V. DETERMINATION DES IMPACTS DE TOUS LES POSTES DE TRAVAUX
I.1 Pour le degré de l’impact
I.2 Nature et effet des impacts
VI. PLAN DE GESTION ENVIRONNEMENTAL DU PROJET
VII. IMPACTS DU PROJET SUR LES BENEFICIAIRES
VIII. VITRINE OU MODELE POUR LE PEUPLE MALGACHE
IX. ANALYSE DES RISQUES ET DANGERS
Chapitre 10 : ETUDES ECONOMIQUES
I. LES ETUDES DE RENTABILITES
I.1 MBA ou flux dégagés
I.2 VNA
I.3 TRI
I.4 Ip
I.5 DRCI :
II. LES ELEMENTS D’EVALUATION FINANCIERE : (études financières)
II.1 Emploi débiteur du projet
II.2 Investissement ou capitaux investis
II.3 Charges d’exploitation
II.4 Charges décaissées
II.5 Les charges calculées
II.6 Ressources du projet
III. ETUDES ECONOMIQUES DE LA PRODUCTION DE BIOGAZ ET DE FERTILISANT
IV.1 Les investissements liés au biodigesteur
IV.2 Les charges d’exploitation :
IV. COMPARAISON DU BIOGAZ AVEC LES GAZ DES DISTRIBUTEURS ET LE CHARBON DE BOIS
V.1 Consommation en gaz:
V. PRODUCTION DE BIOGAZ ET BENEFICE
VI.1 Consommation en charbon
VI.2 Equivalence biogaz-charbon et bénéfice
VI. DONNEES LIEES AUX ETUDES SUR UNE PERIODE DE 5 ANS
VII.1 Investissement sur 5 ans
VII.2 Charges d’exploitation
VII.3 Production mensuelle de biogaz
VII.4 Economie d’argent mensuelle
VII. INTERETS ECONOMIQUE ET ENVIRONNEMENTAL SUR LA PRODUCTION
DE BIOGAZ ET SON UTILISATION DANS LA VIE QUOTIDIENNE
VII.1 Sur le côté environnemental
VII.2 Sur le côté économique
Conclusion

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