Historique et origine du biogaz

Selon la projection de l’UNICEF, la population tendant à doubler dans une génération, implique une forte croissance de la demande de consommation énergétique. A cet effet, les arbres destinés à devenir des bois de chauffe et de charbon de bois ne suffisent plus face aux besoins des ménages [61]. Le renchérissement du pétrole et la pénurie de bois sur le plan mondial, combinés avec les préoccupations environnementales, ont incité de nombreux pays à promouvoir les recherches sur les ressources énergétiques. La crise énergétique constitue donc une des préoccupations mondiales. Beaucoup de pays n’ont pas ménagé leurs efforts pour trouver une solution et cherchent à valoriser les énergies renouvelables et les autres sources d’énergie. Depuis des années, Madagascar était connu sous l’appellation «Ile verte ». Actuellement, elle est malheureusement surnommée « Ile rouge » par suite de la déforestation due aux effets néfastes conjoints de la pratique du « Tavy » ou brûlis, des feux de brousse et à l’usage excessif du bois comme source d’énergie. Pour Madagascar, le renforcement de l’approvisionnement en énergie est inévitable pour permettre sa croissance économique et son développement. Sur la consommation énergétique globale de Madagascar en 2001, totalisée à 3149,41 KTEP, 71% sont constitués par le bois de chauffe, 13,8% par les énergies fossiles et 1,9% par l’électricité [68]. Le recours à d’autres sources d’énergie localement disponibles devient nécessaire, d’autant plus que l’utilisation du bois peut porter atteinte à l’environnement et que l’électricité et le pétrole n’arrivent pas encore à desservir l’étendue de Madagascar.

HISTORIQUE ET ORIGINE DU BIOGAZ

L’existence d’un gaz inflammable, produit de la matière organique en putréfaction a été découverte par HELMONT vers 1630 [40]. C’est en 1776 que VOLTA a découvert pour la première fois du méthane dans le gaz résultant de la décomposition de déchets végétaux en atmosphère confinée [10; 14]. Trente ans après, DAVY trouva un mélange de gaz carbonique et de gaz riche en carbone dans les dégagements gazeux se produisant sur du fumier surnageant dans l’eau [71]. La première installation destinée à produire du gaz combustible a été construite en 1857 dans une léproserie en Inde. En 1868, l’académicien REISET a mis en évidence la présence de gaz combustible sur des fumiers en décomposition [71]. Beaucoup d’autres chercheurs, dans des conditions expérimentales différentes, ont confirmé des aspects supposés de la fermentation méthanique et ont montré que la matière organique en putréfaction dégage du gaz combustible. La fermentation anaérobie d’un mélange de purin et d’eau à 37°C réalisée par GAYON a permis à Louis PASTEUR de conclure dès 1884 que cette fermentation pourrait devenir une source d’énergie utilisable pour le chauffage et l’éclairage [33; 71]. En 1894, en mélangeant du papier et du purin, OMELIANSKI a obtenu du méthane et de l’hydrogène [71]. La première industrialisation est apparue, en 1896 en Grande Bretagne. Il s’agit d’une grande fosse septique construite par DONALD, le gaz produit servait à l’éclairage de la rue de la ville et à l’usage domestique [71]. En 1920, IMHOFF a mis au point une méthode de production continue de méthane en introduisant périodiquement une quantité de substance organique dans une grande masse de ferments anaérobies en activité [71]. Cette technologie a été rapidement utilisée pour le traitement des eaux usées des grandes villes. En 1942, DUCELLIER et ISMAN ont déposé un brevet d’installation d’unités de production de gaz biologique à partir de fumier dans des cuves hermétiques [14]. A Madagascar [17; 18] : La première réalisation en matière de biogaz est celle du Docteur METZEGER, Chef de la circonscription vétérinaire d’Antsirabe, en 1949 [63]. Il s’agissait de deux fosses en briques servant de cuve de fermentation et qui étaient alimentées avec du fumier de bœufs. Le gaz produit était utilisé pour la cuisine. Des réalisations d’autres pionniers citées par RASOLOFOARIMANANA, se construisaient plus tard, tels que le digesteur en tôle métallique de la ferme d’Etat de la Sakay en 1972, l’installation d’Antsahasoa près d’Iavoloha en 1980, l’unité de biogaz du Juvénat de Saint Gabriel à Mahajanga, les deux digesteurs en béton de Centre Notre Dame de Clairvaux à Ivato en 1984 et le digesteur à dôme métallique du Centre d’Apprentissage Rural de Bevalala en 1984 [63]. Beaucoup d’autres projets de construction de cuve de biogaz ont été aussi élaborés pour des fermes se trouvant à Mahajanga, à Sakay et Ambanja [79]. Certaines installations ont été suivies avec la collaboration de la FAO, du PNUD et du ministère chargé de l’Energie [47; 60]. Les objectifs étaient la maîtrise et l’extension de la technologie du biogaz. Le centre appelé « Cellule du biogaz » est né de cette coopération et a été installé au sein du département énergétique du CNRIT. Il est en étroite collaboration avec les paysans, et sert de centre de base et d’information sur le biogaz. Deux de ces réalisations sont le biodigesteur de l’Akany Avoko d’Ambohidratrimo et celui de la croix rouge d’Antsirabe [61]. Au niveau mondial : La production de biogaz est bien établie en Chine et en Inde, avec près de 7 millions de digesteurs en Chine à la fin de 1997 et 3 millions en Inde à la fin de 1999 [14; 57]. Peu de digesteurs sont installés chez les pays africains, une des raisons est l’inexistence de programme de soutien ou de promotion pour cette nouvelle source d’énergie [80]. Les pays européens et américains utilisent surtout la biométhanisation à des fins d’épuration de déchets et des eaux usées. Ces pays sont les détenteurs des technologies le plus avancées en matière de biométhanisation. Les plus grands digesteurs sont trouvés dans ces pays à savoir par exemple les digesteurs ovoïdes de DINSLAKEN en Allemagne avec un volume de 6000 m3 [32].

GENERALITES SUR LE LISIER 

Caractéristiques du lisier

Les lisiers sont les déjections des animaux élevés avec ou sans litière. Le lisier représente l’ensemble urine-fèces plus ou moins dilué par les eaux de lavage (des étables) et auquel s’ajoutent les pertes d’aliments [43]. Les éléments non digérés (comme la lignocellulose) avec certains déchets des réactions métaboliques sont les principaux constituants du lisier. Un lisier non dilué est constitué pour environ 70% d’urine et 30% de fèces. Les urines sont essentiellement riches en azote résultant de la dégradation des composés protéiques (cas des lisiers de porc). Les fèces constituées par des solides agglomérés renferment surtout des produits non digérés et de minéraux (cas du lisier de bovin ou bouse de vache).

La pollution associée au lisier

La pollution est l’apport ou l’introduction de substance ou d’énergie dans un milieu naturel. Cet apport peut se faire directement ou indirectement, provoquant ainsi des effets polluants lesquels sont nuisibles aux milieux récepteurs: ressources hydrauliques, ressources biologiques… Les substances polluantes peuvent être gazeuses, liquides ou solides. La pollution que peut provoquer un élevage de porcs et de bovins est, évidemment, liée au mode d’élimination des déjections liquides à très forte charge organique.

Charges polluantes du lisier

D’après THELIER, une charge polluante du lisier de porcherie peut être rapportée à l’équivalent-porc de 70 kgs, dont la définition est la suivante : il s’agit de la quantité de pollution sous forme de demande biochimique en oxygène durant cinq jours (DBO5) émise chaque jour par un porc de 70 kgs nourris aux farines [76]. Le lisier titre 10000 à 20000 mg/l de DBO5 en moyenne. Il est également un liquide très chargé en matière en suspension (MES) de 40000 à 60000 mg/l. Nous pouvons définir quatre types de polluants :
– Les polluants microbiologiques : ils sont caractérisés par les bactéries, les virus et les parasites, qui se trouvent dans le lisier. En effet, le lisier est un lieu d’accumulation d’organismes vivants. Quel que soit l’état de santé de l’animal qui émet les déjections, le lisier constitue un produit très riche en microorganismes. Le contenu des déjections en microorganismes peut atteindre des valeurs considérables (plusieurs milliards de germes) mais il s’agit le plus souvent de germes banals tels que les Coliformes, les Streptocoques, Clostridium etc.… dont le rôle est essentiel pour la dégradation biologique des effluents. Un nombre élevé de germes pathogènes peut aussi apparaître et l’on compte une centaine de maladies qui peuvent être transmises à l’Homme et aux animaux.
-Les polluants organiques : Ce sont les matières organiques biodégradables ou non. On trouve ici des protides, des lipides, des celluloses et des lignocelluloses.
-Les polluants organoleptiques : c’est-à-dire les odeurs qui gênent la respiration des êtres vivants. Le lisier est une source d’odeurs nauséabondes.
-Les polluants physico-chimiques : ce sont les effluents solides (MES) et les éléments chimiques tels que nitrates, nitrites, cuivre etc.… Plusieurs paramètres peuvent varier la charge polluante du lisier puisque la composition du lisier peut aussi varier en fonction de certains facteurs.

Facteurs de variation de la composition du lisier

Nature de l’aliment

Le lisier de porc et de bovin ,qui est constitué essentiellement par les éléments non digérés,a une nature et une composition étroitement liée à celles de l’aliment lui-même. Alors, la connaissance des aliments qui composent la ration alimentaire de porc et de bovin, permet de déterminer la composition du lisier. Les tableaux suivants indiquent la composition chimique de ses rations alimentaires.

Technique d’élevage

Un logement bien aéré diminue le taux d’ammoniaque dans le lisier. L’utilisation de la paille comme litière réduit considérablement la charge polluante du lisier de porc, mais cette technique n’est plus utilisée pour les élevages de grande taille. Les eaux de lavage augmentent le volume du rejet. Le système de distribution de l’aliment pouvant être responsable de gaspillage et de perte d’aliments, est susceptible d’augmenter la charge polluante car la concentration de chaque matière se retrouvant dans le lisier serait élevée.

Table des matières

INTRODUCTION
AVANT-PROPOS
I- HISTORIQUE ET ORIGINE DU BIOGAZ [10; 14; 40; 71]
II- GENERALITES SUR LE LISIER
II-1- Caractéristiques du lisier [5; 73; 76]
II-2- La pollution associée au lisier
II-2-1- Charges polluantes du lisier [5; 73; 76]
II-2-2- Facteurs de variation de la composition du lisier
II-2-2-1- Nature de l’aliment
II-2-2-2- Technique d’élevage
II-2-2-3- Stade physiologique
II-3- Conséquences concomitantes sur l’environnement
II-3-1- Sur les eaux
II-3-2- Sur le sol et la flore
II-3-3- Sur la faune
II-3-4- Sur l’homme
II-4- Les ressources en lisier
III- Aspects fondamentaux de la fermentation méthanique
III-1- Définition
III-2- Les principales phases de la fermentation méthanique
III-2-1- Hydrolyse
III-2-1-1- Métabolisme des composés glucidiques
III-2-1-2- Métabolisme des composés azotés
III-2-1-3- Métabolisme des composés lipidiques
III-2-2- Acidogenèse
III-2-3- Acétogenèse
III-2-4- Méthanogénèse
III-2-4-1- Réduction du gaz carbonique
III-2-4-2- Décarboxylation de l’acétate
III-3- Microbiologie de la fermentation méthanique
III-3-1- Les microorganismes impliqués dans la phase d’hydrolyse
III-3-2- Les microorganismes impliqués dans la phase acidogène
III-3-3- Les microorganismes impliqués dans la phase acétogène
III-3-4- Les microorganismes impliqués dans la phase méthanogène
III-4- Un exemple de la réaction méthanique : la conversion du glucose
III-5- Les principaux facteurs contrôlant la fermentation méthanique
III-5-1- La température
III-5-2- Le potentiel d’hydrogène (pH)
III-5-3- L’anaérobiose et le potentiel redox
III-5-4- L’humidité
III-5-5- L’agitation
III-5-6- Le temps de rétention hydrauliques (TRH)
Remerciements
III-5-7- Les facteurs nutritionnels et le rapport C/N
III-5-8- Les matières en suspension (MES)
III-5-9- La production de biogaz
III-5-10- La teneur en méthane
III-5-11- Les facteurs biologiques
III-6- Les facteurs liés aux problèmes des matières premières
II-6-1- Les composés inhibiteurs contenus dans les substrats
III-6-1-1- La cellulose
III-6-1-2- Les ions minéraux
III-6-1-3- Les métaux lourds
III-6-1-4- Les autres substances toxiques
III-6-2- Les facteurs d’inhibition par précurseur
III-6-2-1- L’ammoniac
III-6-2-2- Les acides gras volatils
III-6-2-3- L’oxygène dissous
III-7- Les produits de la fermentation méthanique
III-7-1- Le biogaz
III-7-1-1-Définition
III-7-1-2 -Composition chimique
III-7-1-3- Principales caractéristiques
III-7- 1-4- Utilisations
III-7-2- L’effluent biologique
I- Matières premières
I-1- Les substrats utilisés
I-2- Classification des animaux, ressources en lisier
II- Caractérisation dES lisierS
II-1- Détermination de l’humidité et de la matière sèche du lisier
III-1-1- Définition
II-1-2- Principe
II-1-3- Matériels
II-1-4-Mode opératoire
II-1-5- Mode de calcul
II-2- Détermination de la teneur en carbone total
II-2-1- Définition
II-2-2- Principe
II-2-3- Réactifs
II-2-4- Mode opératoire
II-2-5- Mode de calcul
T : volume de FeSO4 nécessaire pour la titration de l’échantillon
W : masse en mg de l’échantillon
b- Teneur en carbone total CT (%)
II-3- Détermination de la teneur en azote total et en protéines totales
II-3-1- Définition
II-3-2- Principe
II-3-3-Réactifs
II-3-4- Mode opératoire
II-3-5- Mode de calcul
Remerciements
II-4- Détermination de la teneur en matières grasses
II-4-1- Principe
II-4-2- Matériels et réactifs
II-4-3- Mode opératoire
II-4-4- Mode de calcul
II-5- Etude des glucides
II-5-1- Détermination de la teneur en glucides totaux
II-5-2- Dosage de cellulose brute
II-5-2-1- Principe
II-5-2-2- Matériels et réactifs
II-5-2-3- Mode opératoire
II-5-2-4- Mode de calcul
II-6- Détermination de la teneur en cendres brutes et de la teneur en matière volatile (MV) [3; 33; 40]
II-6-1- Principe
II-6-2- Matériels
II-6-3- Mode opératoire
II-6-4- Mode de calcul
CONCLUSION

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