Service des Affaires Administratives et Financières

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APPROCHES THEORIQUES ET SCIENTIFIQUES

Définitions et types de substrat 

Le choix des matières organiques est un point clé de la gestion d’une installation car il détermine le rendement en méthane.
Pour une production maximale de méthane, il est préférable d’utiliser des substrats riches en graisses, protéines et hydrates de carbone car leur dégradation entraîne la formation importante d’acides gras volatils, principaux précurseurs du méthane. Le choix des matières organiques utilisées et leur mode d’incorporation (quantité, fréquence) est le point le plus sensible de la gestion d’une installation. En effet, une alimentation non équilibrée et mal gérée peut entraîner un disfonctionnement des bactéries voire leur mort par acidose. Une fois un digesteur en acidose, il ne peut pas être relancéans une vidange complète et un redémarrage progressif soit 3 à 4 mois de perte de production.
Dans tous les cas, le choix des matières organiques utilisées et les mélanges de co-substrats doivent être validés par le concepteur de l’installation. Les différents substrats qu’on peut utiliser sont :

Les déjections animales

Elles sont particulièrement intéressantes à utiliser quand elles sont produites en quantités importantes et régulières. Le lisier est adapté à al méthanisation compte tenu de son état liquide qui facilite sa manipulation et qui permet de diluer les autres substrats. Malgré un faible potentiel méthanogène, les lisiers sont indispensables car ils apportent des bactéries fraîches, ils ont un fort pouvoir tampon (stabilise le pH), ce qui facilite les réactions bactériennes et assure une stabilité du milieu.

Les fumiers sont également intéressants car ils ontun taux de matières sèches plus élevées et ils peuvent servir de support pour les bactéries à l’intérieur du digesteur. Cependant, leur aspect solide les rend plus difficiles à manipuler et plus chers à utiliser (injection dans le digesteur et brassage énergétivore). Ils sont donc,soit mélangés avec le lisier dans le pré fosse puis envoyés par pompe dans le digesteur, soit introduits à l’aide d’une trémie.

Les résidus de cultures

Les résidus de cultures (pailles, tourteaux, pulpes, fanes,…) ont souvent de hautes teneurs en carbone et sont facilement assimilables dans le digesteur ; ils sont donc de bons substrats pour la méthanisation.

Les cultures

Les cultures (maïs ensilage, herbe ensilage, betterave,…) possèdent des potentiels méthanogènes intéressants et peuvent donc être utilisées à des fins énergétiques. Il est cependant nécessaire d’étudier les coûts engendréspar ces cultures par rapport aux bénéfices réalisés au travers de la méthanisation.

Les co-substrats

Les quantités et le potentiel méthanogène des substrats issus de la ferme sont en général insuffisants pour rentabiliser une installation. Il faut donc trouver des substrats extérieurs à l’exploitation, afin de réaliser une co-digestion. De plus, la prise en charge de ces déchets est une prestation de service pour le fournisseur qui donne lieu à une rémunération de l’agriculteur.
Ces co-substrats peuvent provenir:
– d’industries agro-alimentaires: déchets de légumesou de fruits, petit lait, huiles, graisses,…
– de collectivités: tontes, feuilles, bio déchets desménages, boues de station d’épuration,…
– de restaurateurs privés ou collectifs, de grandes et moyennes surfaces de distribution,…
– le substrat sera versé dans le biodigesteur donc on va voir les caractéristiques d’un biodigesteur.

Définition et types d’un biodigesteur 

Définitions

C’est le nom donné au réacteur chimique où se déroule la fermentation des déchets à forte teneur en matière organique. Les digesteurs sont donc des enceintes fermées, privées d’oxygène. Ils sont maintenus à une température de 37 °C (ou 55 °C) et brassés pour maintenir des conditions favorables au développement de micro-organismes. Plusieurs populations bactériennes vont se développer et transformer des substrats organiques complexes à longue chaîne carbonée en molécules simples à un seul carbone : méthane (CH4) et dioxyde de carbone (CO2). Il y a ainsi production de biogaz.

Types de biodigesteur

Le digesteur, encore appelé fermenteur ou bioréacteur-anaérobie, est généralement constitué d’une cuve fermée, étanche à l’air et de préférenceisolée thermiquement de l’extérieur dans laquelle les microorganismes se côtoient pour dégrader chimiquement et biologiquement les effluents organiques et produire du biogaz. Le choix du digesteur varie en fonction du type de déchets à traiter et de l’application visée. On peut également classer les digesteurs selon le mode d’alimentation : batch ou continu.
On distingue plusieurs familles de procédés, avec esd sous-familles et de très nombreuses variantes. Cependant la quasi-totalité des digesteurs d’effluents et boues industrielles sont des réacteurs à alimentation continue, que l’on classe par familles.

Les digesteurs à cultures libres

Ce sont les réacteurs les plus anciens et les plussimples. On distingue :
– les réacteurs infiniment mélangés dans lesquels lesubstrat est homogénéisé par brassage mécanique ou brassage au gaz ;
– les réacteurs contacts dans lesquels la biomasse digérée est décantée et réintroduite en tête de digesteur, de façon à augmenter la concentration en microorganismes. En effet la vitesse de croissance des bactéries méthanogènes est lente : on cherche à les garder au sein des réacteurs plutôt que de les évacuer directement avec les boues ;
– les réacteurs « piston » qui permettent de faire cheminer le substrat de façon progressive dans le digesteur, de l’entrée à la sortie. Ceci permet de garantir un temps de séjour minimal pour la totalité du substra.

Les digesteurs à cultures fixées

Un autre moyen d’augmenter la concentration bactérienne consiste à permettre aux microorganismes de se fixer sur des supports. On parle alors de systèmes à cultures fixées. On distingue :
– Les systèmes UASB (Upflow Anaerobic Sludge Banket ou lit de boues anaérobies à flux ascendant): en utilisant la capacité d’auto floculation de la biomasse dans le réacteur et la sédimentation des ranules,g les flots bactériens sont équilibrés dans le réacteur par sédimentationavec le flux ascendant de l’effluent à traiter ;
– les systèmes à culture fixe ou lit fixé: le réacteu contient un support statique inerte, minéral ou synthétique sur lequel viennentse fixer les bactéries ;
– les systèmes à lit fluidisé: les bactéries sont fixées sur un support mobile, particules granulaires fines et poreuses comme le sable, maintenues en expansion et contrôlées par le flux ascendant rapide et régulier de l’effluent.

Caractéristiques d’un biodigesteur

Nombre de digesteurs pour une ligne de traitement

Il est possible de trouver sur une ligne de traitement de digestion anaérobie un ou plusieurs digesteurs en série. Dans tous les cas est présentun premier digesteur, chauffé, brassé, où se déroule l’essentiel des phénomènes biologiques. Certaines stations sont équipées d’un digesteur « secondaire » (le premier est alors appelé « digesteur primaire ») non chauffé, brassé, avec récupération du biogaz résiduel.

Fonctionnement des digesteurs

Les digesteurs comportent un volume dans leur partie haute où les boues à digérer sont introduites depuis l’épaississeur par pompage. L’alimentation du digesteur (unique ou primaire) peut se faire par temporisation (alimentation semi-continue) ou en continu. Le mode d’extraction dépend de la configuration du système:
– Lorsque plusieurs digesteurs sont montés en série,l’alimentation de chaque ouvrage se fait en général par surverse depuis l’ouvrage précédent. Il est recommandé de pouvoir effectuer de temps en temps un soutirage des boues par le fond du digesteur.
– L’extraction des boues du dernier ouvrage vers la déshydratation se fait par pompage. Tous les digesteurs sont protégés contre les risque de surpression par une soupape de sécurité.

Forme des digesteurs

Il existe plusieurs formes de digesteur. La plus répandue, en Europe continentale, est caractérisée par un rapport hauteur sur diamètre environ égal à 1, un fond conique (pour faciliter l’évacuation des sédiments) et un dôme conique ou bombé (pour résister à la pression). En Allemagne, les formes ovoïdes se sont développées pour les digesteurs de grande taille. Au Royaume-Uni et en Scandinavie, on trouve des digesteurs « cylindriques » avec toit et fond plat.

Les matériaux utilisés

Les digesteurs sont généralement construits en béton avec une protection interne en résine époxy. Pour les digesteurs de grande taille, l’acier vitrifié s’avère souvent plus compétitif même s’il est peu utilisé en France. Seule la zonede variation du niveau des boues est sujette à corrosion ; les parois en contact permanent avec les boues sont peu attaquées. Les canalisations sont construites de préférence en acier inox, notamment celles soumises à des risques de corrosion (canalisations biogaz). Les digesteurs sont isolés thermiquement, par 10 à 20 cm de laine de roche ou laine de verre.

Brassage des boues

C’est un point relativement délicat à maîtriser, car les matériels utilisés sont fortement sollicités et l’état physique du déchet (solide ouboueux) rend l’agitation difficile. Pour les déchets boueux, l’agitation doit permettre d’éviterla décantation de particules denses, tout en interdisant l’entrée d’air dans le digesteur. L’agitation peut être assurée par :
– brassage mécanique à l’aide d’un dispositif immergétournant lentement (20 à 50 tr/min) tels que vis tubés ou hélice immergée,
– brassage hydraulique à l’aide de pompes adaptées (cas des déchets boueux),
– brassage par injection de biogaz comprimé à la base du digesteur. On parle alors de bullage de gaz : le gaz est comprimé (de 1 à 2 bars selon la hauteur du digesteur) puis injecté en fond de digesteur par des cannes de distribution situées au centre du digesteur. Il remonte vers la surface en entraînant la masse de boues, ce qui provoque un mouvement de convection important et le brassage de l’ensemble des boues.

Chauffage du digesteur

Le chauffage des digesteurs se fait par un circuit externe de recirculation : les boues sont pompées depuis le fond du digesteur. Elles passent dans un échangeur « eau chaude / boues »
, puis retournent vers la bâche d’alimentation du d igesteur où elles sont mélangées avec les boues fraîches, ce qui permet de réchauffer celles-ci et de les ensemencer en bactéries méthanogènes.
Les échangeurs thermiques sont en général de typeubulaire,t ce qui facilite leur entretien. Ils sont alimentés, à contre-courant, par l’eau chaude provenant d’une chaudière biogaz, ou du circuit de refroidissement d’un moteur biogaz (cogénération).

Le stockage du gaz

Le stockage du gaz s’effectue :
– soit dans un gazomètre à cloche, composé d’une structure en béton et d’une cloche à virole qui monte ou descend en fonction de la quantité de gaz ;
– soit dans un gazomètre à membrane souple
Il existe des processus biologiques se déroulant dans le biodigesteur tel que la biométhanisation.

La biométhanisation

Définition

La biométhanisation consiste à des étapes de dégradations biologiques de matières organiques qui se déroulent en l’absence d’oxygène. Il permetd’obtenir des produits comme le biogaz et le digestat. Le biogaz est un mélange de méthane(CH4), de dioxyde de carbone (CO2) et de vapeur d’eau (H2O). Le méthane est le principal constituant du gaz naturel. Le digestat est le résidu liquide contenant les matières non dégradées.

Processus biologiques

Les étapes de dégradation biologique se font en quatre étapes qui ont lieu successivement : l’hydrolyse, la fermentation, l’acétogenèse, et laméthanogenèse

L’hydrolyse

Cette première étape d’opération va transformer lesmatières organiques complexes (polysaccharides, protéines, lipides,…)par de exo e nzymes (enzymes qui se dissocient des bactéries) et des bactéries fermentatives ou hydrolytiques (cellulolytiques, protéolytiques, lipolytiques…) en molécules plus simples, comme des sucres, des alcools et des acides aminés.
En fait, l’action combinée d’enzymes et des bactéries fermentatives ou hydrolytique permet d’optimiser cette phase. Par contre, elle est l’étape limitant, c’est à dire l’étape qui en générale détermine la vitesse globale de la réaction car ell est la plus lente de toutes les phases.

La fermentation ou acidogenèse

Ensuite, les substrats sont transformés en acides gras volatils (AGV) (tels que l’acide butyrique, l’acide propénoïque, l’acide acétique, ’acidel lactique…), mais aussi des alcools (comme l’éthanol, le méthanol…), en CO et en molécules d’hydrogène (H). Les lipides ne sont hydrolysés que très rarement, lentement et métabolisé parβ-oxydation.

L’acétogénèse

L’étape d’acétogénèse permet la transformation desdivers composés issus de la phase précédente en précurseurs directs du méthane : l’acétate (CHCOO-, HCOO-), le dioxyde de carboneCO2et l’hydrogène H2.
Les réactions permettent d’éviter une accumulationtrop élevée des acides gras volatils autres que CH3COOH car celle-ci peut induire à l’inhibitio n de la phase méthanogenèse et donc le phénomène de « break down » (un arrêt total de laroductionp de CH4 pour un pH élevé). De plus, la plupart de ces réactions sont endothermiques ; d’où la nécessité de chauffer préalablement le réacteur.
Ainsi par exemple, à 20°C et pour un pH de 7 et pou r 1 mole/L de substrat :
CH3-(CH2)2-COOH +4H2O = 2CH3COO- + 6H2 + 2 CO2 + H+ Acid butyrique.
2CH3CH2COOH + 3H2O = HCOO- + CH3COO- + 9H2 + 3CO2 + 2H+ Acide propénoïque.

Table des matières

LISTE DES FIGURES
INTRODUCTION
PARTIE I : PRESENTATION DU SAMVA
II.1 Généralités
II.2 Mission
II.3 Organigramme
I.3.1 Service des Affaires Administratives et Financières
I.3.2 Service des Ordures Ménagères
I.3.3 Service Assainissement des Eaux usées et produits de vidanges
II.4 Matériels utilisés et techniques
I.4.1 Humains
I.4.2 Financières
PARTIE II : APPROCHES THEORIQUES ET SCIENTIFIQUES
III.1 Définition et types de substrat
II.1.1 Les déjections animales
II.1.2 Les résidus de cultures
II.1.3 Les cultures
II.1.4 Les co-substrats
III.2 Définition et types d’un biodigesteur
II.2.1 Définitions
II.2.2 Types de biodigesteur
II.2.2.1 Les digesteurs à cultures libres
II.2.2.2 Les digesteurs à cultures fixées
II.2.3 Caractéristiques d’un biodigesteur
II.2.3.1 Nombre de digesteurs pour une ligne de traitement
II.2.3.2 Fonctionnement des digesteurs
II.2.3.3 Forme des digesteurs
II.2.3.4 Les matériaux utilisés
II.2.3.5 Brassage des boues
II.2.3.6 Chauffage du digesteur
II.2.3.7 Le stockage du gaz
III.3 La biométhanisation
II.3.1 Définition
II.3.2 Processus biologiques
II.3.2.1 L’hydrolyse
II.3.2.2 La fermentation ou acidogenèse
II.3.2.3 L’acetogenèse
II.3.2.4 La methanogenèse
II.3.2.5 Les bacteries
II.3.3 Conditions physico-chimiques
III.4 Le digestat
II.4.1 Le stockage du digestat
II.4.2 Le propriété du digestat
III.5 L’épaississement de boue
II.5.1 Le conditionnement
II.5.1.1 Les réactifs minéraux
II.5.1.2 Les polyélectrolytes
II.5.2 Coagulation et floculation
II.5.2.1 Définitions
II.5.2.2 Les coagulants
II.5.2.2.1 Les coagulants minéraux
II.5.2.2.2 Les coagulants organiques de synthèse
II.5.2.3 La floculation
II.5.2.3.1 Le processus de floculation
II.5.2.3.2 Les floculants
II.5.3 La déshydratation
II.5.4 Le séchage
PARTIE III : ETUDE DU BIODIGESTEUR-CLARIFICATEUR DE MANJAKARAY
III.1- Le fokontany Manjakaray II C
III.2- Le site de traitement
III.2.1 Historique
III.2.2 Caractéristique du site
III.2.3 Rôle du service
III.3- Fonctionnement du biodigesteur-clarificateur
III.4- Le suivi cinétique
III.4.1 Technique d’analyse
III.4.1.1 DBO
III.4.1.1.1 Principe
III.4.1.1.2 Mode opératoire
III.4.1.1.3 Résultat d’analyse
III.4.1.1.4 Interprétation
III.4.1.2 Le pH
III.4.1.2.1 principe d’analyse
III.4.1.2.2 Matériel utilisé
III.4.1.2.3 Mode opératoire
III.4.1.2.4 Résultat d’analyse
III.4.1.3 La température
III.4.1.3.1 Principe
III.4.1.3.2 Matériels utilisés
III.4.1.3.3 Méthode d’analyse
III.4.1.3.4 Résultat d’analyse
III.5- Solution et recommandation
CONCLUSION
ANNEXES
BIBLIOGRAPHIE ET WEBOGRAPHIE

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