La digestion anaérobie

La digestion anaérobie

Historique de la méthanisation

Les origines du procédé

La méthanisation est un processus biologique, qui est réalisé naturellement, dans les marais et les intestins des animaux et des insectes. C’est une transformation, qui se réalise en absence d’oxygène et qui convertit la matière organique en méthane et gaz carbonique, par l’intermédiaire d’un consortium microbien [1]. Les premières recherches menant à l’identification du méthane, sont associées à Volta, en 1776. Il identifie le méthane comme étant un gaz à fort potentiel combustible et donc valorisable sous forme d’énergie. Des applications exploitant la digestion anaérobie, apparaissent par la suite en France, en 1881, avec le procédé Mouras, où une chambre hermétique permettait le traitement des eaux domestiques [2]. Le même procédé sera appliqué en fosse septique, quatre années plus tard en Angleterre. Bombay, en Inde, verra, en 1897, l’installation du premier procédé de méthanisation collectant des excréments humains afin de fournir de l’électricité aux lampadaires de la ville [3]. En 1940, les premières installations de méthanisation se développent en Europe, elles s’implantent dans les fermes, afin de fournir de l’énergie à partir des déchets agricoles et des lisiers produits par l’élevage. Elles alimentent ainsi en électricité ces petites exploitations, tout en permettant de traiter une partie de la matière polluante générée. Toutefois, la montée de la pétrochimie et l’utilisation des énergies fossiles, freinent considérablement le développement de ce type de valorisation. Dans les années 70, la première crise pétrolière, relance l’intérêt pour cette solution alternative aux énergies fossiles et de plus en plus de méthaniseurs sont construits dans les fermes et les campagnes. La situation financière en Chine, au Népal et en Inde, entrainant un impact moins fort du cours du pétrole sur les projets de méthanisation, de nombreux programmes de recherche leurs sont dédiés [4]. La forte activité rurale et agraire présente dans ces pays, favorise alors ce mode de valorisation locale [5]. En Europe, l’essor de la digestion anaérobie va être concentré sur le Danemark, la Suisse et l’Allemagne. Cette dernière va compter plus de 1500 unités de méthanisation installées en moins de 30 ans .

La centralisation de la méthanisation 

Petit à petit l’installation de méthaniseur a évolué et ne s’est plus faite uniquement dans les fermes. Les unités de traitement sont alors devenues plus imposantes afin de pouvoir recevoir davantage d’effluents et de déchets d’origine variée. Le procédé s’est, de plus, centralisé [7]. Cette conception de la méthanisation a été particulièrement développée au Danemark et correspond à la mise en commun des matières fermentescibles, afin de réaliser une coalimentation. Cela, afin d’aboutir à une optimisation du procédé par production de plus grandes quantités de biogaz. Les déchets sont, notamment issus, d’exploitations agricoles, industrielles et pharmaceutiques. Le procédé a depuis, dépassé les frontières du Danemark et se retrouve appliqué dans de nombreux autres pays tels que, la France, l’Espagne, la Belgique ou la Grèce [8,9]. L’évolution des procédés de méthanisation a également abouti au rapprochement entre les installations de digestion anaérobie et les villes, du fait de leurs importants gisements de déchet. Ainsi ont vu le jour en Europe, des centrales de méthanisation tels qu’à Stockholm, Kristianstad, Londres, Barcelone, Cadix, Lille, ou Montpellier.

Tous ces centres de méthanisations ont pour point commun de recueillir une partie des déchets de grandes métropoles, afin d’alimenter une portion de la ville en énergie ou en carburant. A Montpellier, les déchets organiques domestiques alimentent le quartier limitrophe en électricité [10]. A Lille, ces mêmes déchets sont combinés aux déchets verts afin de fournir du gaz directement injecté dans le réseau de la ville [11]. De telles unités traitent ainsi les déchets de milliers d’habitant en co-digestion, comprenant déchets ménagers et eaux usées parfois en addition de déchets industriels ou agricoles. Malheureusement, ces sites ne sont pas exempts de défauts et certaines de ces installations se sont soldées par des incidents et des accidents ayant menés jusqu’à la fermeture des sites, comme à Cadix [12]. Pour conséquence, de nouveaux projets de méthanisation ont ainsi été abandonnés face aux réticences et protestations des habitants. Pour le seul exemple de la France, on peut noter ; en 2012, l’abandon du projet de méthanisation des ordures ménagères dans le Roannais ; en 2013, celui de Romainville ; en 2014, à Honfleur, l’abandon d’un projet traitant le lisier local ou encore ; en 2015, le projet d’Anthon pour la construction d’une unité de méthanisation des déchets agricoles et industriels. Malgré ces échecs, le nombre d’unité de méthanisation implantée, n’a cessé d’augmenter d’année en année, pour atteindre, en France, le nombre de 403 unités de méthanisation, tout type confondu en 2016 [13]. De nos jours la méthanisation est utilisée afin de remplir plusieurs objectifs : (i) pour diminuer des volumes de déchet en consommant en moyenne 50% de la matière sèche d’un substrat, (ii) pour réduire la charge polluante d’un effluant que ce soit, comme procédé à part entière ou couplé à une STEP [14]. Il est à noter que la méthanisation est et reste une technique pionnière dans la production d’énergie durable, servant à valoriser la matière organique issue de déchets ou d’effluents pour fournir de l’électricité, du chauffage, du gaz de ville ou même du carburant [15]. Pour cette raison, elle fait partie des solutions d’avenir, inscrites dans les objectifs de transition énergétique de nombreux pays.

En Europe, le programme Objectif Europe 2020 est un engagement des pays, qui concerne notamment l’environnement et les nouvelles énergies. En Allemagne, le pays fixe ainsi à 20%, pour l’horizon 2020, sa part d’utilisation d’énergie provenant de source renouvelable, notamment par l’utilisation de la méthanisation. Pour ce faire, 30 à 50% des nouvelles installations de traitement biologique, installées en Allemagne sont des unités de méthanisation [7,16]. Pour le Danemark, l’objectif est de remplacer pour 2030, 15 à 20% de son gaz naturel par du biogaz, pour cela, le pays augmente d’années en années sa capacité de traitement. La Suède, elle souhaite, à l’horizon 2020, que son utilisation d’énergie renouvelable représente 49% de son bilan énergétique total. En 2012, la part d’énergie renouvelable représentait alors 37.3% de la consommation en énergie de la Suède. Les pays en développement, tels que la Lituanie, la Roumanie et la Slovénie sont déjà proches de ces 20% et mettent en place des politiques visant à augmenter encore la proportion d’énergie produite par des sources renouvelables [17]. Pour la France, l’ADEME prévoit que le gaz renouvelable issu de la méthanisation représentera plus de 50 % du mix gaz du réseau en 2030 [18]. La modification du mix énergétique est alors la source d’un nouveau dynamisme pour les filières de ces secteurs. Elle entraine ainsi des modifications propices à une transformation du système économique. Les grandes résolutions énergétiques internationales, sont ainsi les moteurs de lois et de réformes nationales. En France, on peut noter le Grenelle de l’environnement II avec la « loi biodéchets » et la loi n° 2015-992 du 17 août 2015, relative à la transition énergétique pour la croissance verte. La première, en plus, de donner une définition réglementaire aux biodéchets, rend obligatoire leurs tris pour des producteurs dépassant, en janvier 2016, les 10 tonnes/an. A celle-ci s’ajoute la circulaire du 10 Janvier 2012, qui détermine notamment des règles quant aux dispositions à prendre pour leurs valorisations [19]. Ainsi, de nombreuses entreprises (notamment agroalimentaire) mais également des grandes surfaces et des restaurateurs se positionnent sur la question de la gestion de leurs déchets et sur l’emploi de la méthanisation. L’application de la loi relative à la transition énergétique, à travers ses décrets et arrêtés, permet aujourd’hui de donner un contexte favorable à l’intégration de la méthanisation dans les espaces urbains. En effet, cette dernière apporte de nombreuses modifications et dresse le cadre d’une nouvelle forme d’urbanisme. A la demande des collectivités, des standards de construction peuvent ainsi être imposés pour définir des zones à circulation restreintes ou des espaces verts [20]. Les véhicules propres sont aussi valorisés avec l’obligation, de pré-équiper les nouvelles constructions pour permettre l’installation de borne de recharge. La loi française prévoit également d’ici 2025, le tri à la source des biodéchets générés par les ménages et favorise leur élimination, au plus proche de leurs lieux de production. Enfin, elle appelle explicitement les villes sur des projets de « zéro déchets, zéro gaspillage » ainsi qu’à investir dans les énergies renouvelables, à travers des subventions pour l’innovation ou par la hausse du prix de rachat des énergies dites « vertes » (fond de financement spécifique, pour par exemple, l’éolien et la méthanisation [21, 22, 23]). Preuves de ces changements, apparaissent désormais des initiatives, telles que la ville de Paris souhaitant élever son taux de recyclage des déchets à 50% (au lieu des 16% actuels) [24] ou son expérimentation d’une troisième poubelle à dispositions des ménages pour la collecte des biodéchets [25]. Les programmes d’accompagnement pour un compostage local et citoyen, entrepris par Brest Métropole ou encore Lorient Agglomération, sont eux aussi, de parfaits exemples des mouvements induits par ses résolutions internationales [26, 27].

L’application des lois pour la transition énergétique et économique des pays, tend ainsi à impliquer une dimension « urbaine et sociale ». Progressivement, la conception des zones urbaines est modifiée par une vision plus durable de l’avenir. Les solutions énergétiques sont alors disposées au plus près des habitants et ces nouvelles résidences se veulent accessibles à l’ensemble des classes sociales. Basés sur les trois piliers du développement durable que sont, l’Economie, l’Environnement et le Social, les éco quartiers commencent alors à apparaitre [28].

Conception d’un éco quartier

La construction d’éco quartier offre des réponses locales, aux résolutions internationales en termes d’environnement et de durabilité. Comme tout projet de développement durable, sa conception s’inscrit dans un raisonnement, environnemental, social et économique [29]. Un éco quartier a donc pour objectif d’offrir un projet d’habitation sûr et sain en concertation avec les acteurs publics comme privés. Il doit contribuer à un dynamisme local, accueillir une diversité sociale et ethnique et un élan économique à sa zone d’implantation [30–32]. Un éco quartier doit de plus, proposer une gestion durable de ses ressources, comprenant des solutions innovantes et tournées vers l’avenir. Ces projets concernent tout aussi bien la construction de nouveaux quartiers (majoritaire dans les pays du Nord) que la rénovation de zones urbaines déjà existantes [33]. Le quartier Vauban, à Freiburg, en Allemagne est ainsi un exemple d’éco quartier faisant référence dans ce domaine. 41ha accueillent, près de 5 500 habitants, une densité de 134,9 habitants par hectare (à titre d’information Paris – La Sorbonne à une densité de 223,63 hab./ha pour une surface similaire), comprenant un centre commercial, une école, 2 restaurants et 3 bars/cafés. Il fait toujours figure de modèle de développement depuis sa construction, débutée en 1993 et sera repris par de nombreux autres pays lors d’aménagements similaires .

La conception d’un éco quartier va généralement inclure plusieurs paramètres afin d’accéder aux objectifs fixés :

Les éco quartiers sont des lieux d’habitations, ils sont néanmoins compacts afin de limiter les distances entre les habitants et les pôles d’intérêt économiques et culturels. Les habitations sont étagées (2-3 étages) et la densité est étudiée pour respecter les concepts de « seuil de viabilité », l’espace non habité devant être suffisant pour permettre l’établissement d’interactions sociales [35]. Ces espaces sont alors valorisés sous la forme d’espaces verts, intégrés à l’environnement urbain.

L’aménagement d’un éco quartier implique la création d’emploi, de magasins et l’implantation d’une économie de proximité. L’économie circulaire qui se met en place permet de créer une connexion entre le producteur, le produit et le consommateur final, occasionnant un dynamisme économique mais également un regain de confiance et de liens sociaux .

La gestion durable des ressources est au cœur des problématiques environnementales d’un éco quartier. Les espaces verts, en plus de leurs rôles sociologiques et environnementaux (écosystème, pollution), permettent ainsi une valorisation énergétique lors des élagages [37]. L’aménagement de voies piétonnes et cyclables est également favorisé, entrainant la réduction des gaz à effets de serre dû à l’utilisation de l’automobile, tout en renforçant les synergies de proximité [38]. La diminution des consommations et la réutilisation des ressources, notamment en eau pluviale, sont très étudiées, au même titre que les méthodes de traitements des eaux usées [39]. L’échelle du quartier a également son importance dans le succès des démarches de gestion durable. En effet la proximité sociale tend naturellement à encourager et récompenser les bonnes initiatives et diminuer les comportements individualistes [38]. Ainsi ces habitants sont généralement plus sensibilisés à la préservation des ressources et le tissu social établi, favorise l’émergence d’actions citoyennes.

D’un point de vue énergétique, les éco quartiers sont généralement conçus avec des matériaux à fort indice d’isolation et limitant ainsi les déperditions de chaleur. La hauteur des habitations et des infrastructures est également étudiée, pour maximiser l’efficacité de panneaux solaires. L’énergie ainsi produite, sera par la suite redistribuée aux habitations. Les déchets générés y sont, dans la mesure du possible recyclés ou valorisés. L’utilisation de la méthanisation en zone urbaine s’inscrit donc dans cette démarche de valorisation. Elle s’ancre également dans les réflexions sociétales et politiques menées autour de l’avenir des filières énergétiques et des modes de consommation qui y sont liés. Apparaissent ainsi des projets de méthanisation basés sur des réhabilitations de quartier dans une volonté de gestion durable des ressources.

La méthanisation à l’échelle d’un éco quartier 

Le début des années 2000 a vu la création des premiers éco quartier intégrant la microméthanisation comme traitement de leurs déchets. Deux des plus notables sont Hammarby Sjöstad à Stockholm et Bo01, à Malmö, tous deux situés en Suède. Le premier, débuté en 1990, est une ancienne zone industrielle réhabilitée désormais en un quartier servant de référence pour l’application de solutions durables dans un environnement urbain [40]. Construit en 2000, le quartier Bo01 a, lui, été réalisé dans le cadre d’une exposition qui lui donna son nom et ayant pour thème les villes de demain et leurs liens avec leurs ressources [41]. Le site était une zone portuaire, d’anciens quais, entièrement reconstruits et développés sur un modèle de gestion durable. Il aboutit 10 ans après à la création d’un éco quartier, mondialement connu. La méthanisation est réalisée à l’extérieur du quartier, sans prétraitement et malgré des débuts difficiles dû à une qualité du substrat faible, le quartier présente désormais des résultats très encourageants [42]. Depuis, plusieurs autres projets ont suivi au fil des années, on notera entre autres le quartier Flintenbreite, à Lübeck en Allemagne, pouvant accueillir près de 400 personnes ou Noorderhoek un lotissement de Sneek, construit en 2007, au Pays-Bas présentant tous deux ; un méthaniseur intégré à l’espace urbain. Le choix d’un procédé de méthanisation, le fonctionnement, le succès ou l’abandon de ces projets sont alors de précieuses sources d’information quant aux limites et aux recommandations concernant la méthanisation urbaine. La compréhension de leurs contextes d’implantation offre également une meilleure appréciation des facteurs économiques, politiques ou sociaux, impactant in fine leurs intégrations.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Revue Bibliographique
I / Historique de la méthanisation
a) Les origines du procédé
b) La centralisation de la méthanisation
c) Conception d’un éco quartier
d) La méthanisation à l’échelle d’un éco quartier
II / Définition des ressources
a) Nature des gisements
i) Les déchets verts (DV)
ii) La fraction organique des déchets ménagers (FODM) et déchets alimentaires (DA)
iii) Les eaux usées et boues primaires (BP)
b) Caractérisation des gisements
i) Approche physique
ii) Profil Chimique
iii) Fraction Biochimique
III / Principe de la méthanisation
a) La « niche méthanogène »
b) Les voies métaboliques
i) L’Hydrolyse
ii) L’Acidogenèse
iii) L’Acétogenèse
iv) La Méthanogenèse
v) Test du Potentiel Méthane (BMP)
IV /Conduite de la méthanisation
a) Facteurs d’influence
i) L’enthalpie libre (ΔG°)
ii) Le potentiel d’oxydo-réduction (Eh)
iii) La température
iv) Le pH
b) Paramètres d’optimisation
i) La réduction de la taille des particules
ii) Le temps de rétention hydraulique et temps (TRH)
iii) Le rapport C/N
c) Facteurs d’inhibitions
i) L’ammoniaque
ii) Les acides gras volatils (AGV)
iii) Le sulfate
iv) Les cations métalliques
v) Les métaux lourds
V / Les Prétraitements
a) Prétraitements physiques
i) La concentration ou l’épaississement
ii) Le broyage
iii) L’application de force de pression
iv) L’utilisation d’ultrasons
v) Les procédés thermiques
b) Prétraitements chimiques et biologiques
i) Les procédés alcalins
ii) L’ozonation
iii) L’hydrolyse enzymatique
VI / Fonctionnement d’un réacteur
a) Températures de fonctionnement
b) Co-digestion
c) Digestion par voie humide/voie sèche
d) Régime d’utilisation
VII / Typologie des réacteurs (voie humide)
a) Caractéristiques des réacteurs
b) Réacteurs à cuve agitée et flux continu
VIII / Production de biogaz
a) Valorisation du biogaz
b) Posttraitement
IX / Valorisation du digestat
X / Contexte réglementaire
o Conclusion
Chapitre 2 : Retours d’Expérience
I / Contexte
II / Méthodes
III / Résultats
a) Projets Internationaux
i) Projet 1 : Flintenbreite
ii) Projet 2 : EVA-Lanxmeer
iii) Projet 3 : BO01 / Fullriggaren
b) Profils des gisements de déchets urbains
IV / Discussion
a) Sélection des déchets
b) Collecte des gisements
c) Stockages et prétraitements
d) Procédé de méthanisation
e) Posttraitement, récupération des nutriments
f) Conception intégrée au quartier
V / Conclusions
Notes
Chapitre 3 : Analyses Expérimentales
I / Introduction
II / Méthodes
a) Collecte des gisements de déchets
b) Méthodes de caractérisation des substrats
i) Analyses physico-chimiques
ii) Analyses élémentaires
iii) Analyses par Thermogravimétrie
c) Analyses préliminaires en batch sur des réacteurs de 500ml
d) Expérimentations en réacteur semi-continu
III / Résultats et Discussions
a) Caractérisation des ressources organiques disponibles
i) Profils physico-chimiques
ii) Analyse par Thermogravimétrie
iii) Ensilage des Déchets Verts
b) Expérience préliminaire, conditions non renouvelées Flacon 500 ml
i) Mono-Digestion et Co-Digestion, à 37°C
ii) Co-Digestion avec ajout de substrats secondaires
c) Expérimentation sur réacteur
i) Co-Digestion, semi-continue, à 37°C, charge organique faible
ii) Co-Digestion, semi-continue, à 37°C, charge organique moyenne
IV / Conclusions
V / Perspectives
Conclusion générale

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