SUIVI DE LA PRODUCTION DE BIOGAZ D’UN BIODIGESTEUR CONTINU À DÔME FIXE

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

Le pH

Le pH est un paramètre indispensable pour le fonctionnement d’une unité de méthanisation, la stabilité de sa valeur indique le signe de bon fonctionnement de l’installation. D’autre part, la croissance de la bactérie méthanogène exige une valeur de pH plutôt neutre. La fermentation idéale se situe entre 6.5 et 7.5, une chute du pH à une valeur de 5 est mortelle pour les bactéries. L’acidité du milieu entraine l’arrêt du processus de la fermentation et le gaz carbonique seulement est le gaz produit. Mais l’ajout de chaux dans le substrat peut se faire pour corriger cette acidité.
En milieu basique, la fermentation engendre la production de gaz toxique comme la sulfure d’hydrogène (H2S), l’hydrogène (H2), le gaz carbonique (CO2),… qui pollue le biogaz.

Le rapport carbone/azote(C/N)

Les bases fondamentales nutritives des bactéries anaérobies sont :
 Le carbone (sous forme d’hydrate de carbone) : essentiellement utilisé en énergie
 L’azote (protéines, nitrates, ammoniac, …) pour la constitution des structures cellulaires.
Le rapport C/N doit être surveillé, car en cas d’élévation de sa valeur, on conclura qu’il y a des substances difficilement dégradables (Ex : les substances non- fermentescibles comme la ligno-cellulose…) et la fermentation est lente, voire même absente.
Les bactéries utilisent environ 30 fois plus de carbone que d’azote, le rapport C/N~ 30. Exemple : pour les bovins C/N = 24.

Le temps de rétention hydraulique(TRH) [10]

C’est le temps nécessaire pour la digestion de substrat. Il s’obtient en divisant le débit des substrats entrant en digestion par le volume de digesteur.
Il varie en fonction de :
– la température: la rapidité de la digestion augmente avec la température
– le taux de matière sèche : plus le substrat est riche en eau et en particules fines, plus la digestion est rapide,
– la nature et la composition du substrat.

L’humidité [50]

L’eau est indispensable pour toute activité biologique. Sa quantité dépend de la matière à fermenter. Les bactéries de méthane ne peuvent exister et se multiplier qu’à un taux d’humidité de 50 % au minimum. L’humidité au-dessus de 94 à 95 % implique un rendement plus bas de la production de méthane. Pour le cas des produits plus secs (litière de volaille par exemple), une humidification selon le besoin du produit doit être effectuée.

L’absence d’air ou anaérobiose

Le deux premiers processus (hydrolyse et acidogenèse) peuvent se dérouler en milieu aérobie, c’est-à-dire en présence d’oxygène, par contre, l’acétogenèse et le méthanogenèse se développent strictement en milieu anaérobie. De plus, les bactéries méthanogènes n’agissent qu’à bas potentiel redox (-300 à -330 mV). D’où la nécessité de bien assurer l’étanchéité du digesteur contre la contamination d’oxydants.

L’agitation

Cette opération consiste à bien mélanger les matières premières avec de l’eau pour obtenir un substrat homogène. Cela a pour but d’éviter la formation d’une croûte surnageant empêchant la sortie du biogaz et d’optimiser la multiplication des contacts entres les substrats à digérer et la flore bactérienne. [38]

La teneur en matière sèche

La matière organique a sa propre valeur en matière sèche. La valeur de cette dernière détermine le type de digesteur pour traiter le substrat.
À 2% de matière sèche, la production du méthane n’est pas avantageuse. Entre 8 à 12 %, le traitement de méthanisation pour produire de biogaz est rentable et permet d’avoir une haute qualité de biogaz. [52]
La teneur en matière sèche doit être choisie de façon à :
 Éviter les inhibitions.
 Assurer une bonne dissolution de la matière organique et par suite augmenter la vitesse de biodégradation.
 Avoir un lisier qui peut être pompé et qui s’écoule facilement par gravité.
I.2.9.9. Les inhibiteurs [10]
Ce sont des substances qui peuvent arrêter le développement des bactéries méthanogènes et de réduire la production de biogaz.
Parmi ces substances, on trouve notamment certains antibiotiques, des antiseptiques et des métaux lourds (cuivre, chrome, nickel, plomb).

Avantages du biogaz

L’installation d’une unité de Biométhanisation en milieu rural renferme des avantages énergétiques, environnementaux, agronomiques, et économiques.

Bilan énergétique

Le biogaz est l’une des seules énergies renouvelables à pouvoir être transformée en toute forme d’énergie utile : la production d’électricité; la production de chaleur ; de gaz combustible pour la cuisson des aliments. Il peut remplacer l’énergie fossile et le bois de chauffage. Son utilisation diminue la demande en bois d’où la réduction de la déforestation. Comme nous le savons tous, les énergies fossiles sont largement utilisées de nos jours comme carburants dans des moteurs alors que ce sont des produits néfastes pour l’environnement. Le biométhane peut les remplacer et son utilisation peut diminuer ces impacts négatifs.

Bilan agronomique

Les matières organiques (les déchets animaux et humains, les résidus de récolte et les résidus végétaux, les feuilles mortes etc.) se décomposent après fermentation dans les digesteurs pour donner du biogaz et du digestat. Ce dernier peut être utilisé comme engrais pour la production agricole. À noter que pour le fumier et le lisier, l’azote qu’ils contiennent est conservé en totalité lors de la méthanisation. En revanche, il change de forme : présent sous forme d’azote organique dans les déjections fraîches, il se retrouve sous forme d’ion Ammonium NH4+ dans l’effluent.
La production de biogaz est un moyen efficace pour développer l’agriculture, non seulement parce qu’il permet de valoriser les déchets provenant de la récolte, mais également parce qu’il augmente la quantité et la qualité de l’engrais organique.

Bilan environnemental

La transformation des déchets organiques en biogaz évite l’émission directe de méthane dans l’atmosphère donc elle protège l’environnement. Le méthane a un « effet de serre » vingt-un (21) fois plus important que le gaz carbonique. Sa combustion contribuera à réduire l’effet de serre et les odeurs (oxydation de l’ H2S malodorant). Ainsi, le biogaz collecté est brûlé en torchères ou valorisé (production d’électricité et de chaleur). Le CO2 rejoint le cycle naturel du carbone.
Le développement du biométhane est également un facteur d’amélioration de l’hygiène et de la santé dans les zones rurales.
Pendant la fermentation méthanique, une part des agents pathogènes sont détruits. Durant la digestion mésophile, 99 % des germes pathogènes comme les oeufs de schistosome, les vers et les autres parasites sont éliminés et 99,99 % pendant la digestion thermophile, donc il assure 1’hygiénisation.
Après la fermentation, les odeurs gênantes des déchets organiques sont réduites, donc elle garantit la désodorisation. La fermentation limite fortement les odeurs olfactives émises par les effluents lors de leur épandage sur une terre agricole. Cet intérêt est surtout déterminant pour des exploitations agricoles proches des lieux d’habitation.
Il réduit les contaminations par pollution tellurique des nappes phréatiques et des eaux de surface ; de la surface du sol par certaines substances toxiques ; des plantes et de certains animaux destinés à l’alimentation de l’homme.
Enfin la valorisation énergétique des déchets organiques permet de valoriser des matériaux locaux et permet aussi de résoudre en même temps le problème d’évacuation des ordures.

Bilan économique

Le développement du biométhane permet de réduire les charges financières d’un exploitant agricole:
 L’utilisation des déchets organiques méthanisés comme engrais agricoles évite les achats d’engrais minéraux ;
 L’autonomie en éclairage et en production d’électricité évite les dépenses relatives aux règlements des factures d’électricité ;
 L’utilisation du biométhane comme gaz combustible évite les dépenses liées à l’achat régulier du «gaz combustible standard butane» ;
 Des redevances peuvent être perçues pour le traitement des déchets extérieurs à son site.

Inconvénients de la biométhanisation

Le principal inconvénient de la Biométhanisation demeure dans la lourdeur des investissements à allouer qui, malgré des frais de fonctionnement très faibles (± 2% de l’investissement), sont économiquement assez dissuasifs. Le biogaz est un gaz hautement inflammable et nécessite, de ce fait, un certain nombre de mesures de sécurité.

LES BIODIGESTEURS 

Le biodigesteur est une installation où aura lieu la fermentation et la production de gaz. Il peut être installé souterrainement ou établi en surface. [10]
Le biodigesteur peut être décrit soit à partir de :
 Son mode d’alimentation,
 Sa forme
 Son type de fermentation

Mode d’alimentation des réacteurs de fermentation

Biodigesteur à alimentation continue 

C’est une installation très intéressante, car il ne dispose qu’une seule cuve.
Le biodigesteur doit être chargé quotidiennement par des matières fraîches et doit être évacué régulièrement de ses effluents, ce qui entraine une production de biogaz en continue et régulière.
La méthanisation par voie liquide consiste à stocker les différents déchets dans une pré-fosse ou directement dans le digesteur en utilisant des mixeurs ou des pales.
Après avoir méthanisé les différents mélanges des déchets, les résidus sont encore appelés « digestat » et ils devront être stockés.
Ce type de biodigesteur peut être adopté facilement du fait qu’il est facile à charger et à vider.

Biodigesteur à alimentation discontinue ou batch

Il consiste à utiliser plusieurs biodigesteurs qui sont chargés une seule fois jusqu’à la dégradation totale du substrat et fin du processus méthanogène (40 à 60 jours). Une fois la digestion terminée, le réacteur doit être ouvert et vidé puis rempli à nouveau avec du substrat.
Dans ce système, le volume de biogaz produit et sa composition dans le temps ne sont pas constants.
La fermentation discontinue ou par voie sèche permet de traiter des substrats à forte teneur en matière sèche.

Biodigesteur à alimentation semi continue ou fed-batch ou sequencing-batch reactor [SBR]):

Dans ce système, les deux principaux types de digesteurs dits type chinois et indien sont utilisés. L’alimentation du biodigesteur se fait régulièrement en fonction du progrès de la réaction pour éviter le risque de surcharge organique et afin d’assurer les conditions de croissance optimales. Le phénomène de la décantation apparaît à la fin de la digestion, ce qui permet de séparer la phase liquide de la biomasse en suspension. Une partie du surnageant (de l’ordre de 10 %) est évacuée au cours de l’étape de vidange.
Ces biodigesteurs sont caractérisés par :
 Un chargement discontinu en qualité et en quantité de matière organique
 Une évacuation en continu ;
 Un arrêt de chargement au cours du nettoyage
 Leurs adaptations à des effluents liquides ou à des déchets solides en condition de saturation en eau, à faible teneur en composés ligno-cellulosiques ;
 Une facilité à mettre en oeuvre avec des matériaux disponibles localement ;
 Un rendement volumique de l’ordre de 0,5 m3 de biogaz par m3 de digesteur, pour un temps de rétention hydraulique qui peut varier entre 30 et 100 jours.

Les différents modèles de biodigesteur

Dans le monde entier se répandent de nombreux modèles de biodigesteur. Ils se particularisent du choix de la technologie à appliquer (La forme et la conception du réacteur: à l’air libre ou souterraine, semi-continue ou discontinue, à dôme fixe ou à cloche flottante, en matériaux durs, en métal ou en plastique…) ; du contexte, du type de matières premières disponibles à digérer, du climat, et de la disponibilité financière… .

Le biodigesteur à dôme fixe (ou type chinois)

Dès 1936, les Chinois créent ce modèle, il est destiné à un usage familial. Il se compose de deux parties, celle inférieure cylindrique et celle supérieure sous forme de voûte sphérique ou hémisphérique (dôme) pour le stockage du gaz. Son installation est souterraine pour des matériaux en béton ou en brique en terre cuite (ayant une durée de vie assez longue, coût modéré et problème de corrosion remédié, …). Sa production de gaz est de l’ordre de 0.1 à 0.2 m3 par mètre cube du digesteur par jour.

Le biodigesteur à cloche flottante (ou type indien)

C’est un modèle très répandu en Inde, et à vocation familiale ou communautaire. Celui-ci comporte une partie cylindrique en brique ou en béton, placé verticalement et enterré. Le stockage de gaz nécessite un gazomètre métallique ou en d’autres matériaux (fibre de verre, plastique renforcé en fibre de verre ou F.R.P, ferrociment…) flottant au-dessus. Le mélange du substrat est assuré par un mouvement ascendant-descendant de la cloche qui témoigne l’existence du gaz dedans. L’avantage de son utilisation est la facilité de mise en oeuvre par rapport au précédent: une simple gestion du gaz par repérage de la hauteur de la cloche ; une pression moyenne quasi-constante ; une maintenance et un déchargement facile à manier ; une meilleure étanchéité, donc une meilleure productivité.

Le biodigesteur à plug-flow ou réacteur à piston 

Ce type de biodigesteur est avantageux, car il peut digérer la matière organique riche en matière sèche. Il n’est pas adéquat pour la fermentation des déjections fortement diluées comme le lisier.
Ce type de biodigesteur a un caractère spécifique, le substrat doit être mélangé avec une part d’inoculum avant d’être introduit.
Le chargement se fait à la partie basse de biodigesteur. Ceci peut être alimenté de façon continue ou semi-continue.

Le biodigesteur hybride

C’est un modèle qui combine les avantages des installations à dôme fixe et à cloche flottante. Le digesteur est à dôme fixe mais encapuchonné d’un gazomètre séparé cylindrique en ferrociment ou en matières synthétiques.
On peut en tirer plusieurs profits. La surface du dôme est exposée au gaz engendrant une réduction de pression et une pression plus ou moins constante et réglable par le biais d’un contre poids sur le gazomètre. Cet effet permet de décharger par gravitation le réacteur. Sa productivité est de l’ordre de 0.3 m3/ j.

Le biodigesteur à ballon plastique

À partir de plastique en PVC, en Red Mud Plastique, le biodigesteur est réalisé sous forme cylindrique placé horizontalement à moitié enterrée. L’alimentation en substrat se fait d’une manière continue, le gaz produit est emmagasiné dans la partie supérieure sous la plastique, ou bien dans un ballon disposé séparément au-dessus. Le réacteur est sensible à la variation de la température ambiante à cause de sa partie exposée à l’air libre. Par conséquent, la température à l’intérieur peut être de 2 à 7°C plus élevée que celle du type chinois.
De son caractère plug-flow, sa productivité en gaz peut atteindre 0.24 à 0.61m3/m3de digesteur par jour. Mais sa durée de vie est limitée grâce à la dégradation de la matière plastique (surtout le RMP…).

Type de fermentation 

Le type de fermentation exige la teneur en matière sèche de substrat à traiter. C’est pour cela qu’il y a deux catégories de technologie de production de biogaz : la fermentation humide et la fermentation sèche.

Fermentation à faible charge ou à l’état liquide

La fermentation humide demande de substrats qui ont besoin d’un traitement préalable comme le pompage. La teneur en matière sèche est inférieure à 20 %. Le temps de séjour dans le digesteur est de 40 à 60 jours et le procédé peut être thermophile ou mésophile.
Elle a pour inconvénients principaux, l’utilisation de grande quantité d’eau et la production importante de digestat.

La fermentation à forte charge ou à l’état solide

Pour la fermentation sèche, la teneur en matière sèche est maintenue d’au moins 30 % en masse. Les technologies proposées fonctionnent majoritairement en mésophile, et le temps de séjour moyen est de deux mois.
Cette technique est aussi désignée par le terme « discontinu » (batch). En effet, le substrat est introduit une fois dans le fermenteur (terme utilisé pour cette technique) à l’aide d’engins de ferme. Ce dernier est fermé jusqu’à une dégradation complète de la matière. Les substrats ne seront pas brassés mécaniquement.
Ce système est avantageux par rapport à la fermentation liquide, car il peut digérer les substrats à forte teneur en matière sèche et le volume de digesteur est réduit.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
PARTIE I. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE I. BIOGAZ
I.1. Définitions
I.2. Le biogaz
CHAPITRE II. LES BIODIGESTEURS
II.1. Mode d’alimentation des réacteurs de fermentation
II.2. Les différents modèles de biodigesteur
II.3. Type de fermentation
II.4. Dimensionnement d’un biodigesteur
PARTIE II. SUIVI DE LA PRODUCTION DE BIOGAZ D’UN BIODIGESTEUR CONTINU À DÔME FIXE
CHAPITRE III.REALISATION D’UN BIODIGESTEUR
III.1. Plan d’exécution du biodigesteur
III.2. Emplacement de biodigesteur
III.3. Travaux de fouille
III.4. Réalisation des composantes principales
CHAPITRE IV. FONCTIONNEMENT ET SUIVI
IV.1. Fonctionnement
IV.2. Protocole de suivi du biodigesteur
PARTIE III : ANALYSE DES RESULTATS ET SUITE DE L’ETUDE
SUIVI ET ANALYSE D’UNE INSTALLATION DE PRODUCTION DE BIOGAZ IN-SITU
ÉLABORATION D’UN OUTIL DE CALCUL DE DIMENSIONNEMENT DE BIODIGESTEUR
CHAPITRE V. ANALYSE DES RESULTATS ET SUITE DE L’ETUDE
V.1. La production de biogaz
V.2. Proposition
V.3. Mise en oeuvre de l’outil excel en vue de dimensionnement d’une installation de biodigesteur
V.4. Conception et réalisation d’un biodigesteur de laboratoire
CONCLUSION GÉNÉRALE
BIBLIOGRAPHIE
WEBOGRAPHIE
ANNEXES

Télécharger le rapport complet