PROJET DE CONCEPTION D’UN BIODIGESTEUR A BIOGAZ AU CAMPUS UNIVERSITAIRE AMBONDRONA

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Méthodologie

Études bibliographiques

Afin de mieux cerner d’une part la technologie de la biométhanisation et d’autre part, les particularités et les enjeux de notre terrain d’étude, nous avons effectué des recherches bibliographiques et aussi nous avons consulté des archives au sein des institutions et organismes :
Ministère de l’Environnement et de Forêt : à la Direction Régionale de l’Environnement et de Forêts (DREF)
Espace TIC de l’Université de Mahajanga pour les recherches sur internet Office Nationale pour l’Environnement (ONE)

Études sur terrain

– Lieu et durée du stage
Notre stage a eu lieu dans la Région Haute Matsiatra, plus précisément dans le District de Fianarantsoa I. La Région Haute Matsiatra s’étendsur une superficie de 20958,69 km2, sois 24.46% environ de la superficie totale de l’Ex Province de Fianarantsoa.
Le pays Betsileo présente un relief montagneux, heurté par des massifs vigoureux isolés et sillonnésarp des dépressions étroites.
Sur le point de vue climatique, la température moyenne maximale est 23.9°C et la température moyenne minimale est 13C, tandis que la température moyenne s’élève à 18.7°C.
Nous avons effectué un stage d’une durée de deux mois durant lequel nous avons pu réaliser des visites et entretiens des installations :
1 à Ivoamba, 4 à Ankidona où nous avons pu prélever les productions quotidiennes.
Et aussi nous avons effectué des séances de sensibil sation aux élèves de l’ONG Bel Avenir dont le thème concerne le biogaz une énergie alternative. Et que nous avons réalisé avec l’accord du responsable et avec l’aide des techniciens et élèves, une étude de faisabilité.
– Ivoamba : C’est une installation réalisée par l’AssociationJIRO, dans le cadre des activités de promotion de biogaz à Fianarantsoa, elle est sit uée à 13 km vers le Nord Est.
– Ankidona ou Ankazobe (siège de l’Association JIRO) : Et enfin, avec la contribution de l’association JIRO, nous avons conçu un nouvel prot otype de digesteur, qui est Hybride.
Notre étude comme nous l’avons déjà annoncé précédemment s’est limitée sur la conception d’un biodigesteur. Faute de matériel et outils adéquats nous n’avons pas pu réaliser l’étude de la qualité du biogaz produit, ni suivre le processus de la méthanisation.

RESULTATS

Les résultats de nos recherches de stage se concrétisent sur une étude de conception d’un biodigesteur.

Notions de base sur le biogaz

historique

– biométhane
C’est un gaz issu de la décomposition de la matièreorganique. Il a été découvert en 1667 par Shirley. il est alors connu sous le nom de gaz de marais, en raison de sa présence en abondance dans le fond des eaux stagnantes. En 1884, Ulyss Gayon, élève de Louis Pasteur présente ses travaux sur la fermentation, et conclut déjà, que le gaz issu de la fermentation serait une source utilisable d’énergie e pour le chauffage et l’éclairage. Ce n’est que dans la première moitié du 20siècle que sont mises aux points les différentes techniques de fermentation.
L’influence sur les fermentations des composants de la matière organique, de la faune microbienne, de la température, du pH… est étudiée.
Dans les années 1950 – 1960, les stations d’épurations ont permis de grandes avancées dans la recherche sur la méthanisation.
– biogaz
C’est à Alessandro Volta (1745 – 1827 est un physic ien italien, Il est connu pour ses travaux sur l’électricité et pour l’invention de la premièrelepiélectrique, appelée pile voltaïque) que l’on attribue la découverte de la méthanisation en 1776. Il semble ueq Monsieur Volta Alessandro, en se promenant avait remarqué un dégagement gazeux d’un marais. Après s’être penché sur la question, il découvrit que ce gaz était inflammable. On appelait ce gaz à l’époque : « gaz des marais ». Deux ans plus tard, en 1778, il réussit à isoler le méthane.
– pétrole synthétique
Le pétrole synthétique a été découvert par le médecin biologiste Jean Laigret. Dès 1943, il est chargé par le gouvernement français d’étudier des bactéries qui interviennent dans la fabrication de fumier. Il travaille sur la fabrication d’hydrocarbure à partir des bactéries anaérobies du sol, de type perfringens.
Les bacilles anaérobies sont des microorganismes capables de vivre dans un milieu privé d’oxygène. Le perfringens possède déjà une certaine notoriété: c’est en effet l’un des microbes les plus importants de la grangrène gazeuse ; d’autre part, son action de fermentation, décompose la matière organique aux dépens de laquelle il produit du gazcarbonique et de l’hydrogène.

La méthanisation

Définition de la méthanisation

La méthanisation est un procédé biologique de dégradation de la matière organique par des micro-organismes, en milieu anaérobie. Elle produitdu biogaz et du digestat. Le biogaz est utilisé pour la production d’électricité et de chaleur (cogénération). Le digestat principalement composé d’azote minéral est utilisé pour la fertilisation des terres agricoles.
Dans des conditions naturelles, le biogaz se forme dans des endroits, riches en matière organique en décomposition. Quotidiennement des miliers de tonnes de matière organique se dégagent et s’accumulent sous forme d’ordures, de restes, de masses fécales, de litière (mélange de fumier et de paille), d’eaux usées, etc. Lors d’une fermentation naturelle, ces substrats sont à l’ori gine de milliers de mètres cubes de méthane, qui est ungaz « à effet de serre» et représente de 3 à 5% de la quantité totale de toutes les émissions de gaz à efet de serre. Cela représente environ 18% de l’augmentation de l’effet de serre.

Digestion anaérobie

Ce procédé biologique s’effectue en présence d’uneflore microbiologique, qui se déroule en l’absence d’oxygène et qui, de ce fait, est aussi appelée « digestion anaérobie ». Ce sont en effet ces mêmes mécanismes qui se déroulent lors de la digestion chez les animaux et chez l’homme.
La matière biodégradable est transformée, d’une part, en compost désodorisé et hygiénisé et, d’autre part, en biogaz, composé d’environ 60% de méthane, de 40% de CO et de composés gazeux à l’état de traces (H , NH ).
Les réactions biologiques mises en jeu lors de la méthanisation sont complexes et la digestion de la matière organique comporte quatre phases de fermentation qui se déroule simultanément.
Elles peuvent se résumer de la façon suivante :
– Hydrolyse
L’étape d’hydrolyse est une étape enzymatique extracellulaire dans laquelle les macromolécules sont réduites en monomères de la façon suivante :
les polysaccharides sont transformés en monosaccharides ; les lipides sont transformés en longues chaînes d’acides gras ; les protéines sont transformées en acides aminés ;
les acides nucléiques sont transformés en bases azotées ;
Certains microorganismes libèrent dans le milieu des enzymes (protéases, lipases, cellulases…) capables d’hydrolyser les macromolécules ou polymères (protéines, lipides et polysaccharides) en molécules simples ou monomères (acides aminées, acides gras, oses).
– Acidogenèse
Lors de cette étape, les produits de l’hydrolyse sont absorbés par les bactéries fermentaires qui métabolisent les monomères pour produire des acides gras volatils (AVG) (acétate, propionate, butyrate, isobutyrate, valérate et isovalérate), des alcools, du sulfure de dihydrogène (H2S), responsable de l’odeur, caractéristiques des méthaniseurs, du dioxyde de carbone (CO2), et de l’hydrogène (H2). Ainsi, on obtient des produits fermentés simplifiés.
– Acétogenèse
Une grande partie des acides gras volatiles et des alcools est assimilée par les bactéries acétogènes autotrophes pour former de l’acétate. Une autre partie est convertie en hydrogène et en dioxyde de carbone.
– Méthanogenèse
Le méthane est produit soit par voie acéto-clastique, ou soit par voie hydrogénophile. Seule cette dernière étape est anaérobie au sens strict.
La voie acéto-clastique est responsable de la production de 70% du méthane produit. Des bactéries sulfato-réductrices sont également présentes : elles réduisent les sulfates et autres composés soufrésen hydrogène sulfurés (HS) et mercaptans, qui donnent au biogaz une odeur caractéristique. Ces réactions sont présentées par la figure suivante :
Toutes ces réactions peuvent être rencontrées dansles décharges. Sinon il est techniquement possible de reproduire ces phénomènes naturels de al méthanisation, pour cela on utilise un digesteur, appelé méthaniseur, dans lequel sont reproduites les conditions idéales de décomposition de la matière organique.

Types de digestion

Selon le mode d’introduction des déchets, on peut distinguer deux types de digestion : digestion continue
Le digesteur est alimenté en permanence par un volume de matières organiques et parallèlement, il en sort autant. La production de biogaz est alors constante.
Pour cette installation, le digesteur est alimenté périodiquement. On compte sur la fermentation entière de la biomasse introduite, ce n’est qu’après la vidange que le digesteur est à nouveau aliment é [8].

Types de méthanisation

Suivant les types d’intrants utilisés on peut distinguer deux différents types de méthanisation :
– méthanisation dite par voie humide qui est spécifiquement adaptée pour traiter les lisiers, les boues d’épuration ou les graisses liquides.
– méthanisation par voie sèche adaptée au caractèreolides des déchets ménagers.

Les éléments qui influent à la méthanisation

La méthanisation a lieu grâce à des bactéries qui vont dégrader la matière organique en transformant les différents éléments et produire dubiogaz. Pour assurer la croissance des bactéries, et par conséquent une bonne production de biogaz, il faut des conditions spécifiques :

Présence d’oxygène

Actuellement, environ 10 espèces différentes de coci et de bactéries de méthane ont été identifiées comme strictement anaérobies. Si dans el substrat, la teneur en oxygène est au dessus de 2%, il doit être dépensé par les bactéries anaérobies, propres à chaque espèce de biomasse. Ce qui se fait dans la première phase du processus de méthanisation. Des quantités insignifiantes d’oxygène, obtenues lors d’une évacuation de soufre, ne sont pas nuisibles.

Humidité du substrat

Les bactéries de méthane ne peuvent exister et se multiplier que lorsque le substrat a 50% au minimum d’humidité. L’humidité au-dessus de 94-95% présuppose une basse efficacité de la constitution du méthane.

Température

Selon les plages de température dans lesquelles s’effectue la réaction on distingue trois types de digestion anaérobie : digestion psychrophile : T° < 25 ° C, digestion mésophile : 25 à 45 ° C, digestion thermophile : T° > 45° C.
Pour des conditions optimales, il est préférable detravailler en zone mésophile (25 – 45° C). Il est possible de travailler en zone thermophile (49 – 60 ° C), pour accroitre les vitesses de dégradati on, donc la productivité en méthane, et réduire la taille des digesteurs. En dessous de 10° C, l’activité des bactéries est minime et, au dessus de 65° C, les enzymes nécessaires aux bactéries pour dégrader la matière organique sont détruites.
En règle générale, plus la température est élevée,plus le processus de décomposition est intensif, plus le gaz dégagé est important, la durée de fermentation diminue, mais la teneur relative en méthane dans le biogaz décline nettement (au profitde la part du dioxyde de carbone).

pH

La digestion anaérobie se déroule généralement à des pH voisins de la neutralité. Les bactéries méthanogènes sont fortement inhibées en dessous d’un pH 6. Les bactéries acidogènes supportent mieux le pH inférieur à 6. Une chute de pH est donc le signe d’un disfonctionnement de la méthanisation (ralentissement des différents processus de la méthanisation, baisse de la production en biogaz…).
Dans la plupart des cas, la valeur du pH la plus favorable pour la croissance des bactéries méthanogènes et la production du méthane dans le digesteur doit avoir une valeur optimale comprise entre 6.8 et 7.4, mais un ajout de bicarbonate de soude peut être nécessaire pour le maintenir.
Aucun gaz n’est produit, à part le CO 2, s’il y a une fermentation acide. En milieu basique, la fermentation provoque la formation d’H 2S et H2.

Potentiel d’oxydoréduction

Ce paramètre représente l’état de réduction du système, il affecte l’activité des bactéries méthanogènes. Ces bactéries exigent en effet, outre l’absence d’oxygène, un potentiel d’oxydoréduction inférieur à 330 mV pour initier leur croissance.

Oxygénation et teneur en eau

L’oxygène est extrêmement toxique pour les bactéries anaérobies strictes (acétogènes et méthanogènes). Il est donc indispensable de protégele milieu de toute entrée d’air.
La façon la plus simple étant de travailler en système noyé (saturé en eau) dans une cuve avec un « ciel » de faible volume.

Rapport carbone/azote (C/N)

La relation entre la teneur en carbone et en azote de la matière organique est représentée par le rapport C/N. Ce rapport représente la proportion des deux éléments : Le carbone (sous forme d’hydrate de carbone) et l’azote (protéines, nitrates, ammoniac…).
Ce sont les principaux éléments nutritifs des bactéries anaérobies. Le carbone est essentiellement utilisé pour l’alimentation en énergie et l’azote pour la constitution des structures cellulaires [9].

Ce rapport correspond également au degré de minéralisation de la matière organique. Concrètement, plus le taux d’azote est important, plus le rapport est bas et plus la vitesse de minéralisation est élevée. Pour la digestion anaérobie, le C/N optimal est compris entre 20 et 30. Un rapport plus élevé entraine une consommation rapide de l’azote et conduit à une faible production de biogaz. D’un autre coté, une trop faible valeur entraine une accumulation d’ammoniac et des pH, dépassant 8.5, toxiques pour les bactéries méthanogènes.
Un rapport optimum peut être obtenu en mélangeant esd déchets à faibles et à fort C/N, comme des déchets organiques solides avec des déjections animales.

Temps de rétention hydrique

C’est le principal paramètre de dimensionnement d’un digesteur. Il est généralement à l’ordre de 30 jours, ce qui est un compromis entre l’optimisation des performances de la dégradation de la matière organique et le volume du digesteur.

Couple température -temps de rétention hydrique

Le temps de séjour (ou temps de rétention hydraulique TRH) est la durée théorique pendant laquelle le volume de boues fraîches, substrats ou intrants séjourne dans le digesteur. La température et le temps de séjour sont deux facteurs étroitemenliés.
En effet, une élévation de température entraîne une activation des réactions d’acétogénèse, de méthanisation et de croissance des bactéries. Il ne découle une diminution du temps de séjour nécessaire à la stabilisation et une augmentation de la production de gaz.

Inhibiteurs

Le mécanisme biologique se déroulant dans le biodigesteur peut être inhibé par d’importantes concentrations en NH4 ou en NH3.
De plus l’accumulation d’acides organiques peut avo ir aussi une action inhibitrice sur le processus de génération du biogaz et peut même provquer l’arrêt de la digestion anaérobie.
Les métaux lourds, comme par exemple le cuivre et le zinc qui sont les additifs nutritionnels, ou encore les antibiotiques, peuvent également êtreinhibiteurs.

Bactéries de la méthanisation

Au cours de processus de la méthanisation, chacune de ces quatre étapes fait intervenir différentes populations microbiennes qui se développent dans des milieux de culture spécifiques. Les micro-organismes de chacune de ces étapes vivent souvent en symbiose dans un environnement proche et forme un genre d’agrégats (floc) [10] : les bactéries hydrolytiques et fermentatives (hydrolyse et acidogénèse), les bactéries acétogènes (acétogénèse), les bactéries méthanogènes (méthanogénèse).

Bactéries hydrolytiques et fermentatives

L’étape d’hydrolyse est réalisée par plusieurs groupes d’eubactéries anaérobies strictes et facultatives. Les principales espèces appartiennent aux genres Clostridium, Bacillus, Ruminococcus, Enterobacteroïdes, Propionibacterium et Butivibrio. Les micro-organismes acidogènes ont des temps de génération beaucoup plus courts que les méthanogènes.

Bactéries acétogènes

Au cours de cette étape, l’oxydation des substrats (surtout les acides propionique et butyrique et l’éthanol) est couplée à la formation d’hydrogène,de dioxyde de carbone et d’acétate. Elle représente l’activité de trois groupes de bactéries :
Les homoacétogènes des genres Clostridium, Acetobacterium, Sporomusa, Acetogenium,..,
Les syntrophes des genres Syntrophobacter, Syntrophomonas, Syntrophus…Les sulfato-réductrices des genres Desulfovibrio, Desulfobacter, Desulfotomaculum, Desulfomonas…

Bactéries méthanogènes

Les bactéries actives de cette dernière étape sontréunies dans un groupe qui leur est propre, celui des Archae.
Elles possèdent, en effet, des caractéristiques spécifiques par rapport aux eubactéries et aux eucaryotes, notamment en ce qui concerne leurs coenzymes. Les Archae constituent un des trois statuts de règne primaire, avec les eubactéries et les eucaryotes. Deux familles principales de bactéries méthanogènes existent :
La première population comprend les méthanogènes hydrogénophiles qui produisent du méthane à partir d’hydrogène et de dioxyde de carbone : 4H2 + HCO3- + H+ ↔CH4 + 3H2O Et de formate : HCOO- + H+ + 3H2 ↔CH4 + 2H2O
La deuxième population comprend les méthanogènes acétoclastes qui produisent le méthane à partir d’acide acétique, de méthanol et de méthylamine.
On rencontre principalement deux types de bactéries méthanogènes acétoclastes dans les digesteurs anaérobies, les premières utilisent uniquement l’acétate pour produire le méthane alors que les secondes peuvent utiliser l’acétate, le dioxyde de carbone, l’hydrogène, le méthanol, et les méthylamines comme substrat pour produire le méthane.

Table des matières

INTRODUCTION
1ère PARTIE : CADRE GENERAL DE L’ETUDE ET STRUCTURE D’ACCUEIL 
1. Structure d’accueil
1.1. FAFAFI/SPAf-FLM
1.2. L’Association JIRO
1.3. L’ONG Bel Avenir
2. Problématique
3. Contextes
3.1. Contexte énergétique
3.2. Contexte environnemental
3.3. Contexte sanitaire
3.4. Contexte agricole
4. Méthodologie
4.1. Etudes bibliographiques
4.2. Etude sur terrain
2e PARTIE : RESULTATS
1. Notions de base sur le biogaz
1.1. Historique
1.2. La méthanisation
1.2.1. Définition de la méthanisation
1.2.2. Digestion anaérobie
1.2.3. Types de digestion
1.2.4. Types de méthanisation
1.3. Les éléments influents à la méthanisation
1.3.1. Présence d’oxygène
1.3.2. Humidité de substrat
1.3.3. Température
1.3.4. pH
1.3.5. Potentiel d’oxydoréduction
1.3.6. Oxygénation et teneur en eau
1.3.7. Rapport Carbone/Azote (C/N)
1.3.8. Temps de rétention hydrique
1.3.9. Couple température-temps de rétention hydrique
1.4. Inhibiteurs
1.5. Bactéries de la méthanisation
1.5.1. Bactéries hydrolytiques et fermentatives
1.5.2. Bactéries acétogènes
1.5.3. Les bactéries méthanogènes
1.6. Matières premières
1.6.1. Types de substrats de la méthanisation
1.6.2. Production de biogaz par type de substrat
1.7. Composition du biogaz
1.8. Potentialité énergétique du biogaz
2. Les paramètres essentiels à sa réalisation
2.1. Les différents types d’installation
2.1.1. Selon l’alimentation du digesteur
2.1.2. Selon les modèles
2.1.3. Les biodigesteurs JIRO
2.1.3.1. Biodigesteur JIRO modèle chinois continu et principe de fonctionnement
2.1.3.2. Digesteur modèle indien discontinu
2.1.3.3. Modèle indien continu
2.1.3.4. Digesteur hybride
2.2. Equipements périphériques
2.2.1. Piège à eau ou valve d’échappement de gaz
2.2.2. Le compteur à gaz
2.2.3. Le manomètre
2.2.4. Les équipements anti-retour des flammes
2.2.5. Le réservoir à gaz
2.2.6. Tuyau de conduite de gaz
2.2.7. Equipement de traitement de gaz obtenu
2.3. Dimensionnement d’une installation
2.3.1. Dimensionnement du digesteur
2.3.2. Le volume (Vg) du gazomètre
2.3.3. Calcul de la production quotidienne en biogaz
2.3.4. Les courbes représentatives de rendement en biogaz des substrats
2.3.5. Demande et consommation en biogaz
2.4. Vérifications techniques et entretiens
2.4.1. Evaluation de la construction
2.4.2. Entretiens des appareillages
2.4.3. Les pannes fréquentes
2.5. Atouts et limites de notre étude
2.5.1. Atouts de notre étude
2.5.1.1. Entretiens de biodigesteurs
2.5.1.2. Nouvelle construction
2.5.2. Limites de notre étude
2.5.2.1. Etude de la qualité
2.5.2.2. Prélèvement de la température interne
2.5.2.3. Climat
2.5.2.4. La pluie
3e PARTIE : SUGGESTIONS ET RECOMMANDATIONS
1. Intérêts et limites de la technique de méthanisation
1.1. Intérêts de la technologie de méthanisation
1.1.1. Intérêts environnementaux
1.1.2. Intérêts économiques
1.1.3. Intérêts sociaux
1.1.4. Intérêts agronomiques
1.1.5. Intérêts techniques
1.1.5.1. Bilan positif
1.1.5.2. Bilan négatif
1.2. Limites de la technologie de la méthanisation
1.2.1. Contraintes politiques
1.2.2. Tabous
1.2.3. Contraintes techniques
1.2.4. Contraintes financières
2. Les conditions nécessaires à la vulgarisation de la technique de méthanisation
2.1. Volonté politique
2.2. Nécessité d’une sensibilisation
2.3. Création d’une installation pilote
2.4. Assistance financière, accompagnement et prêt
2.5. Organisation de suivi technique
4e PARTIE : PROJET DE CONCEPTION D’UN BIODIGESTEUR A BIOGAZ AU CAMPUS UNIVERSITAIRE AMBONDRONA
1. Contexte socio-économique à Mahajanga en matière de biogaz 51
2. Contexte énergétique à Mahajanga
3. Bénéficiaires
4. Intérêts
5. Projet pilote au campus universitaire ambondrona
CONCLUSION

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