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La digestion anaérobie
Définition
La méthanisation ou digestion anaérobie est la décomposition biologique des matièresorganiques en absence de l’oxygène.
Le processus de digestion anaérobie se compose de quatre phases successives impliquant quatre groupes de bactéries : hydrolytiques, acidogènes, acétogènes et méthanogènes.
Phase d’hydrolyse :
Les molécules organiques comme les protéines, lipides, hydrates de carbone,… sont hydrolysés en monomères par des bactéries fermentaires. C’est une étape généralement lente par rapport à l’acidogénèse.
Phase d’acidogénèse :
Les monomères, produits de l’étape d’hydrolyse, sont transformés en acides gras volatils (AGV) tels que acétate, propionate, butyrate, etc.., en acides organiques (lactique, succinique,…), en hydrogène, en dioxyde de carbone et en alcools par des bactéries acidogènes .
Exemple : C6H12O6 + 2H2O → 2CH3COOH + CO2+4H2 .
Les acidogènes supportent des pH relativement acides, qui peut aller jusqu’à 5. La pression partielle d’hydrogène a des effets importants sur la composition des produits intermédiaires. La formation d’acétate est favorisée en présence d’hydrogène, alors que celle de propionate, butyrate et lactate est favorisée en présence de fortes pressions partielles.
Phase d’acétogénèse :
Elle permet de transformer les produits issus de l’acidogénèse (sauf l’acétate) en acétate. Elle se déroule selon deux métabolismes :
➢ Les acétogènes convertissent les acides organiques en acétate, gaz carbonique CO2 et hydrogène H2 :
Propionate CH3CH2COOH + 2H2O → CH3COOH + 3H2 + CO2
Butyrate CH3CH2CH2COOH + 2H2O → 2CH3COOH + 2H2 .
➢ Les homoacétogènes combinent l’hydrogène et le CO2 en acétate, suivant la réaction suivante : 4H2 + 2CO2 → CH3COOH + 2H2O .
Phase de méthanogénèse :
Elle minéralise les produits (acétate, formate, dioxyde de carbone et hydrogène) de la phase précédente en méthane par des bactéries méthanogènes. Elle régi par les deux réactions chimiques suivantes :
CH3COOH → CH4 + CO2 (décarboxylation de l’acétate)
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (réduction de C02 en CH4).
Facteurs contrôlant le processus de fermentation anaérobie
Les conditions opératoires ainsi que l’alimentation du digesteur sont des facteurs qui affectent la production du biogaz. Les paramètres comme le pH et la température influencent directement les microorganismes. Les perturbations par l’alimentation enferment la composition et la concentration de déchet, et les composés toxiques et les inhibiteurs. Les composés toxiques ne sont pas obligatoirement présents au départ dans l’alimentation, mais ils peuvent être produits par les étapes biologiques de la digestion à l’intérieur du digesteur, comme exemple les AGV et l’ammoniaque.
Le substrat
La composition du substrat
Le type et la composition du substrat déterminent directement le rendement de biogaz. Le déchet qui contient une teneur élevée en eau a un rendement faible en méthane. Les déchets organiques renferment une composition variée : les composés facilement et lentement dégradables comme les saccharides, celles qui sont facilement dégradables, par exemple les lipides, les protéines et les AGV, ainsi que d’autres composés.
La teneur en matière sèche
Le choix de la teneur en matière sèche se fait de façon à esquiver les inhibitions, garantir une bonne dilution de la matière organique et par suite accroître la vitesse de biodégradation et disposer un mélange qui peut être pompé et qui s’évacuer facilement par gravité comme dans le cas d’une alimentation continue.
La charge organique
Il s’avère de contrôler la charge organique et hydraulique selon le volume du digesteur. Quand le processus fonctionne à faible taux de charge à l’entrée, le taux de production de biogaz sera aussi faible. L’augmentation de la charge donne plus de biogaz mais aussi le risque de la surcharge peut se présenter, qui provoque l’accumulation des AGV. La teneur élevée d’AGV diminue le pH et rend les AGV plus toxiques aux méthanogènes, qui peuvent arrêter le processus.
La température
La digestion anaérobie est peu exothermique. La température affecte directement sur les propriétés physico-chimiques de tous les composants à l’intérieur du digesteur et a un effet aussi sur la thermodynamique et la cinétique des processus biologiques En d’autre terme, il influence directement la vitesse de réaction du processus, la stabilité de la conversion, la qualité de l’effluent et le bilan énergétique du procédé Pour favoriser l’activité microbienne, il est nécessaire de chauffer et de thermostater les digesteurs. Selon leur optimum de température d’activité, les bactéries sont classées en trois groupes : psychrophile (moins de 20°C), mésophile (entre 20°C et 45°C, avec un optimum situé vers 35°C) et thermophile (à partir de 45°C, avec un optimum situé vers 55°C). La productivité gazeuse augmente parallèlement avec l’accroissement de température jusqu’à 45°C. En dessous de 10°C, on assiste à une diminution drastique de la production. Les fluctuations de température même dans des plages étroites peuvent affecter la stabilité des digesteurs thermophiles, notamment.
Le pH
La digestion anaérobie se déroule bien dans une zone optimale de pH proche de la neutralité. Les accumulations des acides organiques dans la phase acidogénèse sont marquées par les variations de pH du milieu et sont amorties par le pouvoir tampon des bicarbonates et acétate ammoniacaux. Si le milieu est trop alcalin, des fermentations gazeuses parasites (H2, H2S, NH3) se produisent, tandis que si le pH du milieu est inférieur à 6,5, la méthanogénèse est inhibée et la digestion se réduit à la formation de CO2 et des AGV. Une chute de pH traduit généralement un dysfonctionnement du système et une intervention immédiate s’avère nécessaire. Le pH est donc un des paramètres principaux de contrôle du processus de digestion anaérobie.
L’oxygène et la teneur en eau
L’oxygène est une molécule inhibant les bactéries anaérobies strictes telles que les bactéries acétogènes et méthanogènes. La digestion anaérobie est un procédé mieux adapté aux déchets humides. La teneur en eau optimale doit être entre 70 % (voie sèche) et 85 % (voie humide).
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Table des matières
INTRODUCTION
I- LA DIGESTION ANAEROBIE
I-1 DEFINITION
I-2 PROCESSUS BIOLOGIQUE DE LA METHANISATION
I-2-1- Phase d’hydrolyse
I-2-2- Phase d’acidogénèse
I-2-3- Phase d’acétogénèse
I-2-4- Phase de méthanogénèse
I-3 FACTEURS CONTROLANT LE PROCESSUS DE FERMENTATION ANAEROBIE
I-3-1- Le substrat
I-3-1-1-La composition du substrat
I-3-1-2-La teneur en matière sèche
I-3-2- La charge organique
I-3-3- La température
I-3-4- Le pH
I-3-5- L’oxygène et la teneur en eau
I-3-6- Les éléments inhibiteurs (toxicité et inhibition)
I-3-7- Le rapport C/N
I-3-8- Intensité de mélange
I-3-9- Temps de séjour
I-3-10- Potentiel redox
I-4 PRODUITS DE LA METHANISATION
I-4-1 Le biogaz
I-4-2 Le digestat
I-5 DIFFERENTS SYSTEMES DE DIGESTEURS
I-5-1 Mode d’alimentation
I-5-2 Type de substrats
I-5-3 Étapes
I-6 TECHNOLOGIE DE DIGESTEUR
II- CONCEPTION ET REALISATION
II-1- L’INSTALLATION DE BIOGAZ
II-1-1- Les instruments utilisés
II-1-2- Description de l’installation
II-1-2-1-Le digesteur
II-1-2-2-Canaux de chargement et de déchargement
II-1-2-3-La sortie du gaz
II-1-2-4-Le piège à eau (purgeur, joint d’eau ou piège à feu)
II-1-2-5-Le mélangeur
II-1-2-6-Le réchaud à biogaz
II-1-2-7-Manomètre
II-1-2-8-Les substrats
II-1-3- Fonctionnement de l’installation
II-1-4- Caractéristiques de notre installation
II-2- THERMOMETRES ET REGULATEUR DE TEMPERATURE
II-2-1- Système de chauffage : Résistances
II-2-2- Thermomètres et régulateur
II-2-2-1-Généralités sur le capteur
III- EXPERIMENTATION ET INTERPRETATIONS DES RESULTATS
III-1- EXPERIMENTATION
III-1-1- Expérience 1
III-1-2- Expérience 2
III-1-2-1-Réalisation du capteur
III-1-2-2-Étalonnage des thermomètres
III-1-2-3-Fonctionnement du thermomètre
III-1-2-4-Méthode de l’étalonnage
III-1-2-5-Réalisation d’un régulateur de température
III-2- RESULTATS ET INTERPRETATION
III-2-1. Températures mesurées
III-2-1-1-Température extérieure
III-2-1-2-Température intérieure
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXE
