Purification du biogaz

Introduction

Depuis quelques années, le développement des ressources et énergies renouvelables fait partie des priorités de nombreux pays du monde. La promotion des énergies renouvelables est adoptée car les ressources fossiles commencent à s’épuiser. L’utilisation de ces dernières, nuit à l’environnement d’où la biométhanisation. Elle recèle un potentiel important par sa capacité de valorisation énergétique de diverses matières organiques et par la réduction de gaz à effet de serre (ACHIMI, 2011). L’Inde et la Chine sont les premiers promoteurs de la biométhanisation. Toutefois, ce sont les Américains et les Européens qui possèdent les technologies les plus avancées dans ce domaine. Ils s’intéressent surtout à la biométhanisation des déchets industriels.

Selon l’Agence de l’Environnement et de la Maitrise de l’Energie (ADEME), la production mondiale est de 1800Mtep par an. Les sous-produits agricoles représentent 55,56% de cette production (DUPONT, 2010). Dans les pays sous-développés comme Madagascar, le problème énergétique persiste et entrave le développement. Les ressources forestières constituent la principale source énergétique (bois de chauffe, charbon) utilisée par ces pays. Or, l’exploitation de ces ressources forestières tend vers l’irrationnelle et provoque leur dégradation. Aussi la recherche d’une source d’énergie alternative est importante. Ces pays, doivent faire face, avec leur propre moyen, aux besoins énergétiques d’où le recours à la biométhanisation (BROWN, 1982).Pour la Grande Ile, la vulgarisation de la biométhanisation se justifie par l’abondance des substrats qui peuvent être valorisés énergétiquement. D’une part, l’élevage porcin engendre des déjections valorisables en biogaz. D’autre part, l’Azolla pinnata avec une forte teneur en azote (23-30% selon MOHAMED en 2005), envahit le milieu aquatique et peut être intéressant en tant que substrat de digestion anaérobie. Or d’après OOST (2011), la biomasse végétale et les déjections animales sont exploitées ensembles pour la production du biogaz par codigestion.

Biométhanisation

NAJI (1985) définit la biométhanisation ou fermentation méthanique comme étant l’ensemble des processus biochimiques de dégradation anaérobie de la matière organique conduisant à la formation de méthane et de gaz carbonique. OLLIVIER (1987) propose la définition suivante : la fermentation méthanique est un processus anaérobique strict de conversion d’un substrat carboné en acides gras volatils, acides organiques, alcools, gaz carbonique et hydrogène puis finalement en méthane. La biométhanisation ou méthanisation est un processus naturel biologique de dégradation de la matière organique en absence d’oxygène qui produit du biogaz (composé en majeur partie du méthane et du dioxyde de carbone). Cette dégradation de la matière organique repose sur l’action et l’interaction complexe de différents groupes de bactéries (MARCHAIM et al., 1994).Selon ANGELIQUE (2002), la biométhanisation consiste en une série d’opération de dégradation biologique des matières organiques qui se produisent en l’absence d’oxygène.

Pour GHERROU (2010), la biométhanisation est un procédé de transformation de la matière organique par un ensemble de micro-organisme, en l’absence d’oxygène et qui s’accompagne de la production de biogaz, mélange gazeux combustible, et du digestat.AMARANTE (2010) propose une définition plus complète. La biométhanisation, ou digestion anaérobie, est la dégradation de la matière organique par des microorganismes en absence d’oxygène. C’est un procédé naturel qui transforme les matières putrescibles en méthane (CH4), en gaz carbonique (CO2) et en un résidu solide : le digestat.D’après ces auteurs, il existe plusieurs dénominations de la biométhanisation à savoir la méthanisation, la fermentation méthanique ou la digestion anaérobie.

Contexte au niveau national et disponibilité en substrat

La technologie du biogaz n’est pas inconnue à Madagascar. Le vétérinaire METZGER a effectué des essais de production de biogaz en 1949. Par la suite, différentes installations de biogaz ont été construites. Il y a la ferme d’Etat de Sakay et d’Ambanja en 1972 (digesteurs alimentés par du lisier de porc), l’installation d’Antsahasoa-Iavoloha en 1980, l’unité de biogaz du Juvénat de Saint Gabriel à Mahajanga en 1981, le centre Notre Dame de Clairveaux Ivato et le Centre d’Apprentissage Rural Bevalala en 1984. Actuellement, seule une vingtaine d’installation est fonctionnelle. La plupart se trouve dans les fermes d’élevage intensif. Au niveau familial, la vulgarisation du biogaz s’effectue dans la partie Sud du pays avec un projet en collaboration avec les Chinois (FAO, 1990 ; RAHARIJAONA, 2007 ; RASOANDRAINY, 2007).D’une part la pratique de l’élevage porcin (dans les ménages ruraux) montre une disponibilité des lisiers de porc en tant que substrat.

En effet, un porc de 50kg donne environ 2,25kg/j de lisier (BILLAUD et al., 1983). De plus, le lisier de porc est une source de matière organique importante (78% selon RAZAFINANDRASANA en 2007) pour la biométhanisation. D’autre part, l’Azolla pinnata est intéressant pour la biométhanisation par sa disponibilité et par sa teneur en azote. C’est une plante aquatique envahissante (LISAN, 2014) avec 23-30% de teneur en matière azoté (MOHAMED, 2005). (Cf. annexe 1) A Madagascar, les 2 substrats sont disponibles dans les zones rurales. Ils s’avèrent être intéressant dans la production de biogaz.

Purification du biogaz

Le biogaz possède un caractère corrosif et toxique si la teneur en H2S est élevée. Il est donc recommandé de l’épurer par désulfuration. Plusieurs techniques sont applicables (Anonyme, 2012) :
 précipitation du souffre : par ajout de sels de métaux (chlorure de fer, sulfate de fer) dans le digesteur.
 désulfuration biologique : oxydation par le genre Thiobacillus.
 par adsorption aux oxydants chimiques (soude caustique, oxydes métalliques, charbon actif) Pour de meilleure utilisation, le biogaz subit des traitements qui augmentent la teneur en méthane et le pouvoir calorifique. Le biogaz peut être traité par :
 lavage à l’eau sous pression : l’eau va dissoudre les autres composées que le méthane
 adsorption physique avec un solvant organique (polyéthylène glycol)
 lavage aux amines
 perméation : utilisation de membrane (faite en le polysulfone, polyimide ou le polydimethylsiloxane) perméable au gaz carbonique, eau, ammoniac .

Digestat

Le digestat est la matière non dégradée, résidu de la fermentation méthanique (MARTEL et al., 2013). Le digestat est constitué de 2 fractions :

 fraction solide ou digestat solide ou méthacompost (1-12% du digestat) (MARCHAIM et al., 1994).

fraction liquide ou digestat liquide ou éluat ou jus de process.

Le digestat est un sous-produit de la méthanisation semblable à l’humus. Il est plus homogène et plus fluide ce qui facilite son épandage. La méthanisation réduit la charge polluante du substrat. La Demande Biologique en Oxygène (DBO) est réduit de 60%. La Demande Chimique en Oxygène (DCO) est réduit de 40% (TSOALAZA, 2008). Le digestat se trouve donc éliminer des nuisances olfactives (réduction des odeurs nauséabondes). Le digestat présente un pH supérieur à celui du substrat.

La méthanisation permet l’inactivation et la destruction des microorganismes pathogènes et parasites (CASMAN, 1996). Le digestat est donc indemne d’agent pathogène assurant une utilisation sans risque sanitaire. La composition du digestat dépend du substrat et de la technologie de méthanisation utilisée. Les nutriments dans le digestat deviennent biologiquement assimilables pour les plantes (RICARD et al., 2010). La fraction solide contient de l’azote organique et riche en phosphore. Elle est similaire à un engrais organique N P. La fraction liquide est riche en azote minéral et en potasse ce qui est proche à un engrais minéral N K (Le GUEN, 2003). Pour une meilleure optimisation d’utilisation, le digestat doit subir des traitements. Afin d’obtenir un digestat ayant une matière organique plus stable, il faut procéder à un post-traitement aérobie : humification (POUECH,2008).

Importances de la biométhanisation

Importances économiques
La biométhanisation génère une nouvelle source de revenu pour l’éleveur ou l’agriculteur. La vente des digestats en tant que fertilisant améliore le revenu des agriculteurs. Ainsi la biométhanisation permet la création d’activité et de revenu stable (AILE-ADEME,2006). La production de biogaz permet aussi une autonomie énergétique. Elle réduit les charges liées aux énergies fossiles (carburant) et en électricité. En élevage porcin de type naisseur, la production de biogaz assure le chauffage. L’achat de fertilisant diminue aussi, voire même supprimé. De plus, le digestat obtenu lors de la biométhanisation est un excellent fertilisant, directement assimilable pour les cultures. Dans le cas d’une agglomération, les déchets organiques et sous-produits agricoles peuvent alimenter une unité importante de biométhanisation. Il y a ainsi création d’emploi et une autosuffisance énergétique (ADEME,2015). Des emplois peuvent être créés au début et durant le projet de biométhanisation. Le gaz produit et stocké en grande quantité peut être commercialisé.

Importances sociales
En milieu rural, la biométhanisation permet le respect de l’hygiène au sein d’une famille paysanne. Contrairement au bois de chauffe, le biogaz ne provoque pas de fumée dans la cuisine et ne souille pas les ustensiles. L’utilisation du biogaz évite aux paysans d’attraper les maladies (maladies pulmonaires) causées par la fumée du bois de chauffe (BEANJARA,2008). Le temps destiné à la cuisson (de la recherche du bois de chauffe à la cuisson) est réduit.De nouvelle activité génératrice de revenu peut être donc entreprise. Selon CNRIT (in BEANJARA, 2008), l’application de la biométhanisation permet de gagner 9,07 Hommes jour par rapport à l’utilisation du bois de chauffe. Un résultat issu de ménage de taille 4,6. Les emplois et revenus générés par l’application de la biométhanisation entrainent une aisance dans la société. MOZAMBE (2002) affirme que la biométhanisation contribue à la sécurité alimentaire. En effet l’utilisation du digestat permet de meilleur rendement (5 à 15% supérieur au fumier frais) ainsi plus de production.

Importances environnemental
La biométhanisation permet la réduction des gaz à effet de serre. Le biogaz peut substituer les énergies fossiles et les engrais chimiques. La biométhanisation réduit l’émission des gaz à effet de serre au cours des stockages des déjections animales. Ces dernières sont mises dans des digesteurs. Les sites pollueurs sont donc mieux valorisés (EDORA-VALBIUM, 2012). Autre importance capitale de la biométhanisation est la production d’énergie renouvelable. Les matières organiques sont valorisées en tant que source d’énergie (thermique, électrique et de carburant). La biométhanisation permet la production d’énergie locale (issue de la valorisation des déchets organique locale). Elle réduit les émanations olfactives nauséabondes des déchets organiques et effluents d’élevage. La biométhanisation facilite la protection de la forêt. Au lieu d’utiliser les bois de chauffe et les charbons de bois, les paysans se servent du biogaz. Ils l’utilisent dans la cuisson, l’éclairage (MOZAMBE, 2002).

Table des matières

Glossaires
Liste des abréviations
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des annexes
Introduction
I. Biométhanisation
I.1. Définition
I.2. Contexte au niveau national et disponibilité en substrat
I.3. Aspect technologique de la biométhanisation 
I.4. Aspect microbiologique, biochimique de la biométhanisation
I.5. Les produits de la biométhanisation
I.6. Importances de la biométhanisation 
II. Matériels et méthodes
II.1. Matériels
II.2. Méthodes 
III. Résultats
III.1. Caractéristiques des substrats
III.2. Production en biogaz
III.3. Comparaison des 5 essais
III.4. Production moyenne et composition des substrats 
III.5. Caractéristiques du biogaz 
III.6. Caractéristiques du digestat
IV. Discussions
IV.1. Caractéristiques des substrats
IV.2. Production en biogaz
IV.3. Comparaison des 5 essais
IV.4. Production moyenne et composition des substrats 
IV.5. Caractéristiques du biogaz 
IV.6. Caractéristiques du digestat 
Conclusion Générale
Bibliographie
Webographie
Annexes

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