Fonctionnement biochimique d’un méthaniseur par digestion anaérobie

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Energies fossiles et Méthanisation

La problématique des énergies fossiles

Les énergies fossiles sont quotidiennement utilisées dans le monde et sont à l’origine des deux principaux problèmes, à savoir les tensions géopolitiques et le réchauffement climatique causé par les émissions de CO2 et de méthane.
De nos jours, les activités humaines et surtout les transports sont en partie responsables de l’augmentation de l’effet de serre et par conséquent du réchauffement de la planète.
Cette hausse de gaz à effet de serre issue du secteur du transport s’explique par l’augmentation du trafic routier, des distances parcourues et par la généralisation d’équipements fortement consommateurs d’énergie.
Les émissions de CO2 sont directement proportionnelles à la consommation de produits pétroliers, constitués en quasi-totalité des hydrocarbures saturés qui comportent dans leurs masses 75% à 84% de carbone. A l’issue de la combustion, le carbone se retrouve quasi intégralement dans les gaz d’échappement, combiné à l’oxygène de l’air sous forme de CO2 ou de CO qui se transforme en CO2.
On peut ainsi considérer qu’un moteur émet autant de carbone qu’il en consomme sous forme de carburant. Etant donné qu’un litre d’essence émet 2,35 kg de CO2 et qu’un litre de gazole en produit 2,06 kg [10].

Avantages de la méthanisation

Parmi les avantages de la méthanisation nous nous intéressons à ses intérêts économiques et écologiques :

Au niveau macro-économique

• L‘assainissement des eaux usées et donc une diminution de sources de maladie.
• Une consommation moindre de bois de feu à travers la valorisation du biogaz comme source de chaleur et donc la lutte contre la déforestation et ses conséquences (érosion, production agricole faible, pluviométrie et hydrologie irrégulières, etc.).
• La diminution de la dépendance par rapport aux produits pétroliers et ainsi une économie de devises pour le pays.
• Une augmentation des productions agricoles par l‘utilisation des effluents provenant du digesteur et donc une diminution de l‘utilisation des engrais chimiques.
• La création de nouveaux emplois principalement en zone rurale pour la construction des digesteurs.
• L‘amélioration de l‘habitat rural (lutte contre l‘exode) et de l‘environnement.
• Le développement intégré : production décentralisée d‘énergie et de fertilisants.
• Les systèmes de méthanisation offrent d‘autres avantages : réduction des odeurs, de la charge pathogène et des émissions de gaz à effet de serre.

Au niveau micro-économique

• L‘épargne de bois de chauffe et de pétrole lampant.
• Un gain de temps et une diminution de la pénibilité pour le ramassage du bois et donc possibilités de nouvelles activités (scolarisation des filles…).
• L‘augmentation des productions agricoles par une meilleure fertilisation.
• L‘augmentation du bien-être : meilleure éclairage, diminution des maladies et des désagréments (odeurs, insectes) dus aux déchets, facilité et propreté de la cuisson au biogaz (élimination des fumées), sécurité en approvisionnement en énergie ainsi qu‘une meilleure position sociale du propriétaire [11].

Les différents digesteurs : Lieu de la fermentation anaérobie

Le digesteur est une sorte de « boite noire » dans laquelle la génération de méthane a lieu dans un processus microbien complexe se déroulant en plusieurs étapes. Dans ce processus, des groupes de bactéries très différentes sont actifs et en étroite interaction. Pour que le procédé de méthanisation fonctionne bien, il est important de connaître la cinétique des bactéries. Il est de plus, important de contrôler et réguler les différents paramètres physico-chimiques tels que la température, le pH et la composition des substances nutritives. Le biogaz est un produit métabolique des bactéries méthanogènes, il est généré lors de la décomposition d’une masse organique en l’absence d’air (anaérobie). Nous verrons les mécanismes de la fermentation anaérobie dans une partie ultérieure.
Le processus de fermentation anaérobie appelé méthanisation, se déroule en une ou deux étapes dans un digesteur, encore nommé méthaniseur ou bioréacteur. Il existe principalement quatre types de digesteurs :
• Digesteur infiniment mélangé
• Réacteur à écoulement piston
• Les biodigesteurs monos ou bis étagés
• Biodigesteurs à lit de boue, ou lit fixé.
Les différents digesteurs sont choisis en fonction de la teneur en matière sèche du substrat à valoriser.

Digesteur infiniment mélangé

Les digesteurs infiniment mélangés sont équipés uniquement d’un ou plusieurs mélangeurs et le cas échéant d’un chauffage. Les mélangeurs permettent d’homogénéiser le substrat, d’éviter la formation de croûtes flottantes, d’associer les micro-organismes et leur nourriture et d’empêcher le gaz de s’échapper. A cet effet, on dispose de différentes techniques de brassage :
• Les agitateurs à moteur immergé
• Les agitateurs à palmes ou à pales
• Les mélangeurs à montage central
• Les réacteurs « contact ».
Le schéma d’un mélangeur à montage central dans un digesteur infiniment mélangé est illustré sur la figure 2 suivante.

Les biodigesteurs monos ou bis étagés

En mono étagé toutes les réactions biologiques se font dans un même réacteur ; les systèmes à deux étapes ou bi étagés comprennent un réacteur d’hydrolyse et d’acidogenèse suivis d’un réacteur d’acétogenèse et de méthanogenèse.

Biodigesteur à lit de boue, ou lit fixé

La stratégie employée dans un réacteur anaérobie est principalement axée sur le maintien de la biomasse sur le digesteur. On « joue » sur la capacité des micro-organismes à se regrouper entre eux pour former des « flocs » ou des « granules » ou bien se fixer sur un support pour constituer des biofilms. Le digesteur à lit de boues consiste à faire passer l’effluent à traiter au travers d’un lit de boues. La vitesse ascensionnelle de l’effluent est relativement faible, les microorganismes se forment en flocs et la décantation se réalise dans le réacteur. La maîtrise de l’hydraulique est importante et à noter que ce type de réacteur à un « caractère » fortement piston. Le lit fixé, appelé également « filtre anaérobie » est réalisé avec un apport solide réparti dans le réacteur [12]. Le support va être colonisé par des biofilms anaérobies. L’effluent traverse le support (ascendant ou descendant) ; plus la surface d’échange biofilm (effluent) est importante plus le rendement de biodégradation est grand.

Récupération du gaz

La quantité de biogaz produit connaît de forte fluctuation. Les réservoirs à gaz sont donc conçus pour pouvoir faire face à ces fluctuations. En aucun cas de l’air doit pouvoir y pénétrer. Les réservoirs à gaz sont généralement installés en dessus du digesteur et sont composés d’une ou deux membranes en plastique souple. Les matériaux des membranes sont du tissu polyester recouvert de PVC (PolyChlorure de Vinyle) sur les deux faces. Ils sont résistants aux rayons Ultra-violet UV et aux phénomènes climatiques, ainsi qu’aux attaques microbiennes.

Types de déchets fermentescibles

Les résidus de cultures

Les résidus de cultures (pailles, tourteaux, pulpes, fanes,…) sont souvent de haute teneur en carbone et sont souvent assimilables dans le digesteur, ils sont donc de bons substrats pour la méthanisation.

Les cultures

Les cultures (le maïs, betterave,…) possèdent un potentiel méthanogène important et peuvent donc être utilisés à des fins énergétiques. Cependant, il est nécessaire d’étudier les coûts engendrés par ces cultures par rapport aux bénéfices réalisées à travers la méthanisation.

Les déjections animales

Elles sont particulièrement faciles à utiliser quand elles sont produites en quantités importantes et régulières. Le lisier est apte à la méthanisation compte tenu de son état liquide qui facilite sa manipulation et qui permet de diluer les autres substrats. Malgré un faible potentiel méthanogène, les lisiers sont indispensables car ils apportent des bactéries fraiches, ils ont un fort pouvoir tampon (stabilisation du pH) ce qui facilite les réactions bactériennes et une stabilisation du milieu.
Les fumiers sont également intéressants car ils ont un taux de matière sèche plus élevé et ils peuvent servir de support pour les bactéries à l’intérieur du digesteur ; cependant, leur aspect solide leur rend difficiles à manipuler et plus chers à utiliser.
Le taux de MSV, qui est la substance qui sert à la fermentation est d’environ 82%. Le pH du lisier est plutôt basique et est approprié à la fermentation. On peut estimer la production de biogaz entre 0,25 et 0,30 m3/kg de MS à partir des déjections animales. La matière sèche (MS) est ce que l’on obtient lorsqu’on retire l’eau d’un produit. Le pourcentage de matière sèche est le ratio entre le poids de la matière sèche et la masse de la matière non-sèche (hydratée) [13].

Les biodéchets des ménages

On utilise généralement le terme FFOM : Fraction Fermentescible des Ordures Ménagères, qui désigne la fraction fermentescible des ordures ménagère (déchets de cuisine et la part des déchets verts des ménages jetés avec les ordures dans la poubelle) et éventuellement les papiers-cartons. Le terme biodéchets est également utilisé, notamment dès lors qu’une collecte sélective est mise en place (on ne peut parler d’une fraction des ordures ménagères) [14].

Les déchets des industries agro-alimentaires et de la pâte à papier

La charge organique constitutive des eaux résiduaires de l’industrie agro-alimentaire et certains autres types d’industries rend ces effluents polluants et impose un traitement, avant leur évacuation, conformément aux normes de rejet [15].
La digestion anaérobie peut contribuer à la réduction de la charge organique de ces effluents. On arrive à mettre au point des dispositifs de rétention des bactéries dans les fermenteurs (recyclage, supports fixes ou en suspension, etc), adaptés à des faibles concentrations en matières sèches. Les principales industries productrices de ces effluents polluants sont les industries laitières, les conserveries de légumes ou de fruits, les papiers.
Le tableau 2 suivant présente les potentialités de production de biogaz à partir des différents types d’agro-industriels.

La valeur du pH

Le développement des archées méthanogènes est aussi favorisé par un ajustement de la valeur du pH aux alentours de la zone de neutralité qui avoisine la valeur de 7. La situation en ce qui concerne la valeur du pH est semblable à celle qui concerne la température. Les microorganismes intervenant dans les divers stades de décomposition ont besoin de valeurs de pH différentes pour une croissance optimale. Mais lorsque la fermentation a lieu dans un même digesteur il est préférable de maintenir cette valeur neutre du pH.
Les organismes peuvent être séparés en fonction de leur pH optimal de croissance :
• Les acidophiles : 1<pH<5,5.
• Les neutrophiles : 5,5<pH<8.
• Les alcalophiles : 8,5<pH<11,5 [24].

Les Acides Gras volatiles (AGV)

Les AGV sont des acides à courtes chaines carbonées (1 à 6 atomes) produits lors de l’acidification des matières organiques solubles en présence de bactéries acidogènes. Ils sont consommés avant la deuxième étape de la digestion par les bactéries acétogènes et méthanogènes. La détermination de la concentration des AGV permet d’assurer que les réactions de dégradations se déroulent correctement. En effet, la principale cause d’acidification se situe au niveau de l’accumulation d’AGV due à une surcharge organique ou une fluctuation de la température [25]. Selon la littérature, dans la digestion des déchets solides, et en particulier dans les digesteurs fonctionnant par voie sèche, des taux d’AGV supérieurs à 500 mg/L peuvent être constatés sans effectuer le rendement de dégradation [26].

L’ammoniac

L’ammoniac (NH3) est un composé important car il joue un rôle essentiel dans le processus de la fermentation anaérobique. Il est un nutriment important qui sert de précurseur à des produits alimentaires, des engrais, et est souvent rencontré à l’état gazeux avec l’odeur piquant caractéristique. Les protéines sont les principales sources d’ammoniac pour le processus. Toutefois une forte concentration d’ammoniac dans le digesteur surtout dans sa forme ionisée, est considérée comme responsable de l’inhibition du processus de fermentation. Ceci est similaire à la fermentation de boues d’origine animale, en raison de leur concentration élevée d’ammoniac provenant de leur urine. En raison de son effet inhibiteur, la concentration en ammoniac doit être maintenue en dessous de 80 mg/L.

Les macro et micronutriments- les composés toxiques

Un des facteurs pouvant influencer l’activité des microorganismes anaérobiques, est la présence de substances toxiques. Elles peuvent être mises dans le digesteur même au même moment que la matière première ou être générées pendant la digestion. L’application de valeur de seuil des composés toxiques n’est pas facile, d’une part car ces matériaux sont souvent liés par des procédés chimiques et, d’autre part en raison de la capacité des microorganismes à s’adapter aux conditions environnementales créées par les composés toxiques.

Le rapport carbone/azote (C/N)

Lors de la digestion anaérobie, la proportion entre le carbone et l’azote présents dans la matière organique est importante pour le bon fonctionnement des réacteurs. Les microorganismes respirent de l’azote pour pouvoir utiliser le carbone pour la construction de leurs structures (parois, tissu, membrane…) Des études indiquent que la proportion C/N désirable se situe entre 20 et 30 ; 25 étant le ratio idéal. Une augmentation de l’apport en azote peut mener à une production accrue d’ammoniac, ce qui peut nuire aux microorganismes et empêcher la méthanisation.

Les paramètres opérationnels

Le taux de charge organique

Le taux de charge organique est un paramètre primordial d’exploitation. C’est lui qui indique combien de kilogramme de solides volatils (SV, ou matière sèche organique, MSO) on peut introduire dans le digesteur par m3 de volume utile par unité de temps. Le taux de charge organique est exprimé en kg SV/ (m3.j) BR = . [ kg VS m-3j-1 ] (14)
Equation : Taux de charge organique
m : quantité de substrat ajoutée par unité de temps [kg/j] ;
c : concentration de la matière organique (solides volatils [%SV]) ;
Vr : volume du réacteur [m3].

Le Temps de Rétention ou Temps de séjour Hydraulique (HRT)

Le temps de rétention hydraulique (HRT) est un paramètre important pour le dimensionnement du digesteur. Il s’agit de l’intervalle de temps moyen pendant lequel le substrat est maintenu à l’intérieur de la cuve de digesteur. Le calcul consiste à déterminer le rapport entre le volume du réacteur (Vr) et le volume du substrat ajouté quotidiennement V̇. Le HRT s’exprime en jours. HRT= Vr [ j ] (15)

Table des matières

Liste des abréviations et formules
Résumé
Abstract
Introduction générale
Chapitre I : Généralités
I.1. Introduction
I.2. Définition et historique de la méthanisation/ le Biogaz
I.2.1. Définition
I.2.2. Historique
I.3. Energies fossiles et méthanisation
I.3.1. La problématique des énergies fossiles
I.3.2. Les avantages de la méthanisation
I.3.2.1. Au niveau macro-économique
I.3.2.2. Au niveau micro-économique
I.4. Les différents digesteurs : lieu de la fermentation anaérobie
I.4.1. Digesteur infiniment mélangé
I.4.2. Digesteur à écoulement piston
I.4.3. Les biodigesteurs mono ou bis étagés
I.4.4. Biodigesteur à lit de boue, ou lit fixé
I.4.5. Récupération du gaz
I.5. Types de déchets fermentescibles
I.5.1. Les résidus de cultures
I.5.2. Les cultures
I.5.3. Les déjections animales
I.5.4. Les biodéchets des ménages
I.5.5. Les déchets des industries agro-alimentaires et de la pâte à papier
I.6. Fonctionnement biochimique d’un méthaniseur par digestion anaérobie
I.6.1. La désagrégation
I.6.2. Phase 1 : hydrolyse
I.6.3. Phase 2 : acidogénèse
I.6.4. Phase 3 : acétogénèse
I.6.5. Phase 4 : Méthanogénèse
I.7. Les paramètres physico-chimiques
I.7.1. Le substrat
I.7.2. L’oxygène
I.7.3. La température
I.7.4. La valeur du pH
I.7.5. Les acides gras volatils (AGV)
I.7.6. L’ammoniac
I.7.7. Les macro et micronutriments- les composés toxiques
I.7.8. Le rapport carbone/azote (C/N)
I.8. Les paramètres opérationnels
I.8.1. Le taux de charge organique
I.8.2. Le Temps de Rétention ou temps de séjour Hydraulique (HRT)
I.9. Composition du biogaz
I.9.1. Le méthane
I.9.2. Le dioxyde de carbone (CO2)
I.9.3. L’eau
I.9.4. L’hydrogène sulfuré (H2S)
I.9.5. Mercaptans (SxHy)
I.9.6. Composés Organiques Volatils (COV)
I.10.Le Pouvoir Calorifique du biogaz
I.11. Les modes de valorisation énergétiques du biogaz
I.11.1. La valorisation thermique
I.11.2. La valorisation électrique avec ou sans cogénératon
I.11.3. La valorisation par injection dans le réseau
I.11.4. Le biogaz carburant
I.12. Purification du biogaz
I.12.1. L’épuration de sulfure d’hydrogène
I.12.2. L’épuration du gaz carbonique
I.12.3. L’épuration de l’eau
I.13. Conclusion
Chapitre II : Matériels et méthodes
II.1. Introduction
II.2. Origine et description du substrat
II.3. Prétraitement du substrat
II.4. Composition du substrat
Oignon
Pomme de terre
Carotte
Betterave
Salade : laitue
Artichaut
II.5. Description du digesteur
II.6. Mode d’opératoire
II.7. Méthodes d’analyses
II.7.1. Détermination de la matière sèche (MS)
II.7.2. Détermination de la teneur en matière organique (MO)
II.8. Les paramètres suivis
II.8.1. Les paramètres de fonctionnement
II.8.2. Les paramètres d’épuration
II.9. Conclsion
Chapitre III : Résultats et Discussions
III.1. Introduction
III.2. Caractérisation du substrat
III.3. Essais de bio méthanisation
III.4. Variation du pH
Première partie
Deuxième partie
Troisième partie
III.5. Evolution du volume de biogaz
III.6. Evolution de la DCO et de la DBO5 en fonction du temps
III.7. Détermination de différentes phases de la méthanisation
III.8. Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Référence bibliographique

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