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Digestion Anaérobie des déchets
La valorisation énergétique des déchets riche en matières organiques peut pallier de façon non négligeable et remarquable aux demandes sans cesse croissantes en énergies fossiles. La production du biogaz par méthanisation est le meilleur exemple de conversion de la biomasse afin de solutionner de façon durable les problèmes cruciaux causés par ces déchets [23]. La digestion anaérobie est un mode de traitement et de valorisation de la biomasse riche en matière organiques pour aboutir à la formation d’un biogaz riche en CH4, et un digestat capable de régénérer les sols pauvres tout en réduisant au minimum la pollution et les nuisances causées par les rejets de déchets de métiers organiques. La méthanisation est une application efficace pour la sauvegarde de l’environnement l’emploi des digesteurs a été exploité en premier temps dans le domaine de traitement des eaux usées, il voit aujourd’hui son extension au traitement de la biomasse solide [24].
Définition
La méthanisation [25] ou la digestion anaérobie est une série d’opération de dégradation biologique de matières organiques par une flore microbienne qui se produisent en absence d’oxygène. Les produits résultant de la dégradation peuvent être classes en deux catégories, le biogaz et le digestat. Le biogaz est un mélange de méthane (CH4), de dioxyde de carbone (CO2) et de vapeur d’eau (H2O). Le méthane est le principal constituant du gaz naturel. Le digestat est le résidu liquide contenant les matières non dégradées.
Les étapes métaboliques de la méthanisation
Le procède de la digestion anaérobie, s’effectue en quatre étapes [26]. Il s’agit des étapes:
1. Hydrolyse : les macromolécules sont coupées progressivement en monomères solubles par des enzymes extracellulaires (cellulases, hydrolases, amylases,…) ;
2. Acidogénèse : les monomères issus de l’étape d’hydrolyse, sont transformés en acides organiques et alcools avec une libération d’ammonium (NH4+), de dioxyde de carbone (CO2) et d’hydrogène (H2);
3. Acétogénèse : les produits de l’acidogénèse sont transformés en acide acétique (CH3COOH) mais aussi en CO2 et H2.
4. Méthanogénèse : dernière étape au cours de laquelle est formé le méthane selon deux voies principales et distinctes, celle de l’acétate et celle du mélange H2/CO2 :
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O
Ces quatre étapes sont étroitement liées mais présentent des cinétiques de réaction différentes. Selon le substrat de départ, la vitesse globale de transformation dépendra d’une éventuelle étape limitante. La voie principale de formation du méthane provient de l’acétate. Il existe d’autres voies de formation à partir d’autres substrats (méthanol, formate, méthylamines …) mais leur importance quantitative est négligeable par rapport aux deux voies précédentes. Il est à noter que les deux premières étapes (l’hydrolyse et l’acidogénèse) sont souvent regroupées car elles sont effectuées par les mêmes populations de microorganismes.
HCOOH + 3 H2 → CH4 + 2 H2O
CH3COOH → CH4 + CO2
CH3OH + H2 → CH4 + H2O
CH3NH2 + H2 → CH4 + NH3
Hydrolyse et acidogénèse
Cette première étape est effectuée par un ensemble varié de microorganismes, la plupart anaérobies stricts. Généralement l’hydrolyse est le travail d’enzymes extracellulaires qui libèrent des produits de poids moléculaire plus faible qui vont pénétrer dans la cellule où ils seront dégradés selon les voies classiques du catabolisme. C’est la phase d’hydrolyse qui est souvent l’étape limitante dans la digestion anaérobie. Selon la nature biochimique du substrat, les vitesses réactionnelles varient. L’hydrolyse diffère aussi selon le type de matière première à dégrader à savoir :
● Les glucides
Pour les glucides, des variations importantes existent selon la nature du polysaccharide. Donnons quelques exemples : Les hémicelluloses : leurs structures variées impliquent la mise en œuvre de différentes activités enzymatiques extracellulaires. Les oses simples libérés sont dégradés en pyruvate par la voie des pentoses. L’amidon : constituant des réserves des végétaux, il est composé de deux types de polymères de D glucose : un polymère linéaire, l’amylose, et un polymère ramifié, l’amilopectine. L’hydrolyse de l’amidon est réalisée par les enzymes généralement constitutives qui libèrent du glucose qui sera utilisé principalement par la voie de la glycose [28].
● Les lipides
La majorité des lipides est constituée de glycérol estérifié par des acides mono carboxyliques à longue chaîne (triglycérides) et/ou sur un des carbones par un groupement phosphate ou une molécule glucidique (phospholipides). Les bactéries lipolytiques des fermenteurs appartiennent essentiellement au genre Vibrio. Les composants des lipides sont dégradés par les voies classiques du métabolisme : les acides gras à longue chaîne sont transformés en écétate et le glycérol entre dans la voie de la glycolyse. La vitesse de dégradation en fermenteur est très rapide qu’il est nécessaire de surveiller de près une éventuelle baisse du pH.
● Les protéines
Les protéines sont constituées d’un assemblage d’acides aminés. Après protéolyse, ces derniers sont transformés en acides gras volatils, CO2 et NH3 par les réactions classiques de désamination, transamination et décarboxylation. La nature des acides gras ainsi formés dépend de la structure des acides aminés initiaux. Les produits formés sont les mêmes que ceux provenant de la dégradation des glucides. Ils constituent un pool commun dégradé par les mêmes voies : Fermentation du pyruvate, cycle de Krebs. Cependant, une forte production des acides aminés est utilisée pour l’anabolisme, c’est-à-dire la synthèse protéique des bactéries plutôt que pour le métabolisme énergétique [28].
Acétogènèse
C’est pendant cette phase que sont produits, à partir des étapes précédentes, les substrats principaux de la méthanogénèse : acide acétique, CO2 et H2. L’acide acétique est un intermédiaire clé de la transformation de la matière organique dans l’environnement. De nombreuses bactéries sont capables de faire de l’acétate par fermentation et sont souvent qualifiés « d’acétogènes». Il faudrait cependant réserver ce terme aux acétogènes stricts ou homo-acétogènes correspondant à une famille qui présente un type précis de métabolisme et des similitudes de caractère et d’habitat. Pour simplifier, nous pouvons considérer trois types de populations bactériennes :
● Les bactéries fermentatives
Ce sont les bactéries participant à l’hydrolyse de la matière organique (Cellulomonas, Bacillus, Clostridium). Lorsque la pression en hydrogène est faible, ces bactéries peuvent orienter leur métabolisme vers la production privilégiée d’acétate.
● Les bactéries productrices obligées d’hydrogène
Lors de la dégradation de la matière organique, une grande partie des produits de la dégradation est constituée d’acides organiques (acide lactique, propionique, butyrique,…) et d’alcools (éthanol,…). Ces produits peuvent s’accumuler dans le milieu car leur dégradation dans les conditions standards en anaérobiose nécessite de l’énergie (réactions endergoniques).
● Les bactéries homoacétogènes
Comme leur nom l’indique, ces bactéries produisent l’acide acétique comme seul métabolite. On distingue en général : les cétogènes vivant en autotrophie sur CO2 et H2, des acétogènes hétérotrophes et des formes mixotrophes passant selon les conditions du milieu d’un mode de production à l’autre.
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Table des matières
Introduction générale
Partie I : Etude bibliographique
I. Aperçu historique
II. les types de déchets
II.1. Notion de déchet
II.2. Classification des déchets
II.2.1. Distinction en fonction de l’activité et l’origine du déchet
II.2.2. Distinction en fonction de la nature du déchet
II.2.3. distinction en fonction du comportement et les effets sur l’environnement
II.2.4. Autre type de déchets
II.3.Les déchets en chiffre
II.4.Impacts de la décharge sauvage sur l’environnement
II.5.Durée de vie des déchets
III. Valorisation des déchets
III.1 Gestion des déchets
III.2.Traitement biologique des déchets
III.2.1. Principaux déchets concernés
III.2.2. Métabolismes énergétiques et leurs incidences
III.2.2.1 Aspects théoriques
III.2.2.2 Respiration aérobie
III.2.2.3 Respiration anaérobie et fermentations
III.2.2.4 Incidences pratiques
III.2.3. Compostage
III.2.3.1. Objectifs et principe
III.2.3.2. Avantages agronomiques
IV. Digestion Anaérobie des déchets
IV.1. Définition
IV. 2. Les étapes métaboliques de la méthanisation
IV.2.1 Hydrolyse et acidogénèse
IV.2.2. Acétogènèse
IV.2.3. Méthanogènèse
IV.3. Les paramètres de la fermentation méthanique
IV.3.1. La zone de température
IV.3.2. Le potentiel Red Ox
IV.3.3. Le potentiel à hydrogène et les équilibres tampons
IV.3.4. La pression partielle en hydrogène
IV.3.5. Les besoins en nutriment
IV.3.6. Les inhibiteurs
IV.4. Biogaz
IV.4.1. Définition
IV.4.2. Caractérisation du biogaz
IV.4.2.1. La composition chimique de biogaz
IV.4.2.2. Les caractéristiques du biogaz
IV.4.2.3. La valorisation de biogaz
IV.5. Les réacteurs de méthanisation
IV.5.1. Classification selon le mode d’alimentation
IV.5.2. Classification selon le type de substrat
IV.5.3. Classification selon le nombre d’étapes
IV.6. Système de purification du gaz
IV.6.1. Système d’élimination de CO2
IV.6.2. Système d’élimination de l’H2S
IV.7. Avantages et inconvénients de la digestion anaérobie
Partie II : Etude Expérimentale
I. Introduction
II. II. Paramètres de contrôle de la digestion anaérobie des déchets organiques
II.1 La température
II.2 Le temps de séjour hydraulique
II.3 Le pH
II.4 La présence de toxiques et d’inhibiteurs
II.5 La nature de boues
II.6 Les AGV
II.7 Le TAC
II.8 Performances de la digestion anaérobie
III. Analyses chimiques
IV. Matériels et Méthodes
V.1. Dispositif expérimental
IV.2. Substrat de digestion utilisé lors des différentes expérimentations
IV.2.1 Composition
IV.2.1.1 Les boues des stations d’épuration
IV.2.1.1.a Fermentescibilité des boues
IV.2.1.2 Les déchets fermentescibles de la décharge publique
IV.2.1.2.a. Composition de la décharge publique
IV.2.1.2.b. Composition du lixiviat produit dans la décharge publique
IV.2.1.3 Les déchets de l’abattoir (Rumen de camelin)
IV.3. Digestion anaérobie des différents substrats
IV.3.1. Digestion anaérobie du rumen de camelin
IV.3.1.1. Digestion anaérobie du rumen de camelin avec Ajustement du pH
IV.3.1.2. Influence du taux de dilution sur le rendement de la digestion du contenu du rumen
IV.3.1.3. Digestion anaérobie des déchets de camelin prétraités
IV.3.1.4. Influence de la température de digestion
IV.3.2. Digestion anaérobie des déchets d’une station d’épuration des eaux usées
IV.3.3. Digestion anaérobie des déchets de la décharge publique
IV.4. Efficacité de la digestion des différents substrats
IV.5. Variation du rapport C/N de la digestion des trois substrats
IV.6. Variation du Volume du biogaz formé au cours de la digestion des trois substrats
V. Interprétation et discussion
Conclusion générale
Références bibliographiques
