Agence Financière de Bassin Seine Normandie 
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Centre de Recherches et d'Essais Appliqués aux Techniques de l'Eau 
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Catherine BUREL 
D.E. A . de Technologie Enzymatique 
Microbiologie et Bioconversion 
1981-82 
Université de Technologie d...
Sommaire 
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1 - REVUE BIBLIOGRAPHIQUE 
1.1. - HISTORIQUE DE LA METHANISATION ¿f 
1.2. - ASPECTS MICROBIOLOGIQUE...
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ET LEUR USAGE POUR LA TECHNOLOGIE DES FERMENTEURS 
1.5. - ...
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2.2.1. - Choix du procédé de methanisation 36 
- l'effluent à traiter 
- les fins du digesteur 
- résolutions des d...
Introduction
Introduction 
La fermentation méthanique est une digestion anaérobie transformant 
des matières organiques, en solution ou...
Cette conception très cohérente et exemplaire de la gestion des déchets 
est vieille de plusieurs siècles ; elle est liée ...
Le but de mon stage était la conception et la réalisation de ce pilote. 
Les phases de l'étude ont été les suivantes : 
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1. Revue bibliographique
1.1. - HISTORIQUE DE LA METHANISATION 
La découverte de la méthanisation remonte à 1776 lorsque VOLTA 
mit en évidence le ...
1.2. - ASPECTS MICROBIOLOGIQUES ET BIOCHIMIQUES DE LA 
FERMENTATION METHANIQUE 
1.2.1. - DEFINITION DE LA FERMENTATION MET...
Ainsi, dans un fermenteur de méthanisation, il existe un 
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Ce faisant, les équivalents réducteurs sont accumulés 
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1.5. - BILAN DES AVANTAGES ET DES INCONVENIENTS DE L'ANAEROBIE (15){1 
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1.6. - LES APPLICATIONS CONNUES DE LA FERMENTATION METHANIQUE 
Le procédé de methanisation est actuellement connu et ...
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- de produire un gaz combustible, facilement réutilisable 
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2.1.- OBJECTIFS DE LA PLATE-FORME D'ESSAIS DE COLOMBES 
L'Agence Financière de Bassin "Seine-Normandie" a lancé en 3u...
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2.2. - ORIENTATIONS DU PROJET, APRES UNE SYNTHESE BIBLIOGRA­PHIQUE 
APPROFONDIE ET COMPTE TENU DES OBJECTIFS DE LA 
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Mise au point d'un pilote de digestion anaérobie conception et réalisation
Mise au point d'un pilote de digestion anaérobie conception et réalisation
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Mise au point d'un pilote de digestion anaérobie conception et réalisation

  1. 1. Agence Financière de Bassin Seine Normandie / Centre de Recherches et d'Essais Appliqués aux Techniques de l'Eau Mise au point d'un pilote de digestion anaérobie : conception et réalisation C.R.E.A.T.E. 5-7-9, bd Louis-Seguin 92700 COLOMBES - Tél. : 780.56.12 Anciennement Plate-forme d'Essais de Colombes
  2. 2. Catherine BUREL D.E. A . de Technologie Enzymatique Microbiologie et Bioconversion 1981-82 Université de Technologie de Compiègne
  3. 3. Sommaire i i
  4. 4. pages INTRODUCTION 1 1 - REVUE BIBLIOGRAPHIQUE 1.1. - HISTORIQUE DE LA METHANISATION ¿f 1.2. - ASPECTS MICROBIOLOGIQUES ET BIOCHIMIQUES DE LA FERMENTATION METHANIQUE 1.2.1. - Définition de la fermentation méthanique ou méthanogénèse (sens large) 5 1.2.2. - Le mécanisme biologique de la fermentation méthanique 5 - les bactéries hydrolytiques et fermentativas - les bactéries méthanigènes -les bactéries acétogènes 1.2.3. - Relations entre espèces bactériennes lors de la fermentation méthanique lo 1.2.^^. - Impact du processus microbiologique de la méthanogénèse sur la technologie de biomethanisation 10 1.2.5. - Impact du processus microbiologique de la métha­nogénèse sur la conduite des fermenteurs 11 - influence de la lenteur de la réaction de decarboxylation de l'acétate - rôle de la température - régulation du pH - inhibition de la méthanisation par les toxiques et les inhibiteurs 1.3. - LES DIFFERENTS PROCEDES DE BIOMETHANISATION 1.3.1. - Procédé discontinu (en batch) 14 1.3.2. - Digesteur à mélange complet (CSTR) l^t 1.3.3. - Digesteur contact l^f 1.3.^*. - Fermenteurs à bactéries fixées 15 1.3.5. - Digestion à travers un lit de boues (procédé UASB) 15 1.3.6. - Lit fluidisé 15 1.3.7. - Procédé à deux étapes 16
  5. 5. pages l.ít. - PARAMETRES CARACTERISANT LA BIOMETHANISATION 18 ET LEUR USAGE POUR LA TECHNOLOGIE DES FERMENTEURS 1.5. - BILAN DES AVANTAGES ET DES INCONVENIENTS DE L'ANAEROBIE 19 1.6. - LES APPLICATIONS CONNUES DE LA FERMENTATION METHANIQUE 20 1.6.1. - Le traitement des boues de stations d'épuration 20 1.6.2. - Les déjections animales 20 1.6.3. - Le prétraitement des effluents concentrés des industries agro-alimentaires 20 1.7. - RESULTATS DE LA METHANISATION SUR DIFFERENTES UNITES DE TRAITEMENT D'EFFLUENTS LIQUIDES AU NIVEAU DU LABORATOIRE, DE PILOTES SEMI-INDUSTRIELS ET DE REALISATIONS INDUSTRIELLES 22 1.7.1. - Présentation des résultats 22 1.7.2. - Exploitation des résultats 22 1.8 - ETAT ACTUEL DE LA METHANISATION 29 1.8.1 - Les difficultés de base 29 - les difficultés internes - les difficultés externes 1.8.2 - Les points forts et les points faibles du dévelof)- pement de la méthanisation 30 - les points forts - les points faibles 1.8.3. - Situation de la France 3't 2 - DEVELOPPEMENT DU PR03ET D ' U N PILOTE DE METHANISATION POUR LA PLATE-FORME D'ESSAIS DE COLOMBES 2.1. - OBJECTIFS DE LA PLATE-FORME D'ESSAIS DE COLOMBES 35 2.2. - ORIENTATIONS DU PROJET, APRES UNE SYNTHESE BIBLIO­GRAPHIQUE APPROFONDIE ET COMPTE TENU DES OBJECTIFS DE LA PLATE-FORME DE COLOMBES 36
  6. 6. pages 2.2.1. - Choix du procédé de methanisation 36 - l'effluent à traiter - les fins du digesteur - résolutions des données et choix du procédé de methanisation 2.2.2. - Equipement du réacteur 37 2.2.3. - Dimensionnement de l'installation pilote de methanisation 37 2.2.^^. - Schémas de l'installation pilote 37 2.3. - PROSPECTION ET CHOIX DU MATERIEL ^2 CONCLUSION i^^ BIBLIOGRAPHIE ¿^6
  7. 7. Introduction
  8. 8. Introduction La fermentation méthanique est une digestion anaérobie transformant des matières organiques, en solution ou à l'état semi-solide, en un gaz combustible riche en méthane. Le processus biologique de la fermentation méthanique a été observé depuis fort longtemps (par exemple, en 1776, VOLTA mit en évidence le gaz des marais), mais ce n'est qu'en 19^0 que des études méthodi­ques conduisent à la mise au point des premiers procédés de biométha-nisation (stabilisation des boues excédentaires de stations d'épuration, production de méthane à partir de Usier). Le développement de cette technologie resta malheureusement à l'état embryonnaire, et ceci jusqu' au début des années 70. On peut reconnaître plusieurs fins au procédé de biométhanisation (cf. figure 1) ; la mise en oeuvre de chacune d'entre elles est dictée par le contexte économique, politique et sociologique de son utilisation. LIQUIDE RESIDU SEMI-LIQUIDC SOLIDE / RECOLTE ENERGETIQUE PROCEDE DE BIOMETHANISATION PRODUCTION BIOGAZ = ^ ^ D'ENERGIE LIQUIDE TRAITEMENT *• = DE EPURE RESIDU STABILISATION OE BOUE CONDITIONNEMENT OE SOL SOLIDE = OU FERTILISANT ALIMENTATION ANIMALE Fig. 1 — Multiples fins du procédé de biométhanisation t Ainsi, dans les pays développés, le regain d'intérêt en faveur de la méthanisation s'est manifesté à la suite de la crise de l'énergie (1973) et du fait de l'établissement d'une législation anti-pollution. La démarche de la Chine, quant au développement des procédés anaéro-bies, est plus originale et surtout plus noble que celle des pays industria­lisés (2). La raison en est l'expérience de ce peuple, encore très agricole, en matière de déchets, expérience unique sous deux aspects : - d'une part, les Chinois pratiquent depuis plusieurs siècles, la récupération systématique des matières organiques fer-mentescibles en agriculture, - d'autre part, ils considèrent qu'il n'y a pas de déchets, mais des objets usés que l'on doit réparer ou dont on doit récu­pérer la matière.
  9. 9. Cette conception très cohérente et exemplaire de la gestion des déchets est vieille de plusieurs siècles ; elle est liée à l'histoire du peuple chinois et à sa philosophie. Ainsi, une nuisance est transformée en une valorisation et surtout, l'utilisation des digesteurs en zone rurale a pu très rapidement faire partie intégrante des moeurs. Il faut reconnaître que, dans notre civilisation, cet aspect sacré des choses s'est éteint lentement à partir du milieu du XIXe siècle avec la naissance du monde industriel qui a engendré la société de consommation. Notre dégoût d'homme civilisé, face aux déchets, a pu être un frein d'ordre psychologique à la mise en place d'installations de méthanisation après la deuxième guerre mondiale. L'intérêt porté aujourd'hui en France aux procédés de biométhanisation n'a dont pas été spontané mais s'insère dans un contexte global de récupération d'énergie et de traitement des déchets. Notre société de consommation et de concentration urbaine s'est vue, un jour, dans l'obligation de résoudre ses problèmes de pollution. Pour les déchets liquides, le plus souvent, on a effec­tué un traitement biologique avec des micro-organismes aérobies. Ce mode d'épuration a été appliqué avec succès aux eaux residuaires domestiques ainsi qu'aux rejets de bon nombre d'industries chimiques papetieres et agro-alimen­taires. Cependant, certaines difficultés sont apparues dans l'utilisation de l'épuration aérobie au fur et à mesure que l'on est passé du traitement des effluents faciles à épurer à d'autres plus difficiles et en particulier, à ceux qui présentent une forte concentration de matières organiques polluantes. Enfin, le coût énergétique de l'épuration aérobie de ces effluents s'avère considérable. Ces obstacles au traitement aérobie ont conféré un attrait au procédé de méthanisation qui semble être une solution séduisante dans des cas spécifiques de pollution (rejets très concentrés des industries agro­alimentaires...) ; en outre, la mise en oeuvre de la fermentation méthanique permet d'effectuer le couplage entre l'épuration et la valorisation énergé­tique des eaux residuaires. Telles sont les motivations qui, dans certains pays, ont catalysé le dévelop­pement du procédé industriel de méthanisation et la recherche de la connais sanee du processus anaérobie. En France, dans le cadre des orientations actuelles de la recherche (l'un des thèmes en vogue est la valorisation énergétique par la biomasse), l'Agence Financière de Bassin "Seine-Normandie" a mis sur pied en 1981, un program­me de développement des procédés anaérobies. Ses partenaires , qu'elle aide financièrement, sont les Centres de Recherche D E G R E M O N T et O.T.V.; et elle se charge d'animer et de coordonner le programme. De par ces rôles, l'Agence de Bassin se devait de posséder des connaissances solides et prati­ques sur la fermentation méthanique et sa mise en oeuvre. Elle a donc envi­sagé, en juin 81, de doter la Plate-Forme d'Essais de Colombes d'un pilote semi-industriel de méthanisation. Cet engagement s'ajoute aux actions menées en France et à l'étranger, pour Comprendre et appliquer la digestion anaérobie.
  10. 10. Le but de mon stage était la conception et la réalisation de ce pilote. Les phases de l'étude ont été les suivantes : - synthèse bibliographique - Septembre-Octobre 81 - - développement du projet d'équiper la Plate -forme d'essais de Colombes d'un digesteur anaerobie - Novembre 81 - Juin 82 - (choix du procédé, dimensionnement de l'installation, choix de l'équipement du pilote et en particulier du matériel de mesure et d'enregistrement, estimation du coût du projet, lancement des commandes, suivi de la réalisation du pilote et de la mise en place de l'ensemble de l'installation de traitement anaerobie). Chacune de'^s phases de l'étude fait l'objet d'un paragraphe de ce rapport.
  11. 11. 1. Revue bibliographique
  12. 12. 1.1. - HISTORIQUE DE LA METHANISATION La découverte de la méthanisation remonte à 1776 lorsque VOLTA mit en évidence le méthane appelé alors "gaz des marais". Un peu plus tard, au milieu du 19ème siècle, la présence de méthane près des tas de fumier sera mise en évidence, mais ce n'est que vers la fin de ce même siècle que l'origine de ce gaz sera attribuée à l'activité microbienne. La première installation produisant du méthane date de 1895 et se situe à Exeter en Grande-Bretagne ; le gaz servait alors à l'éclaira­ge des rues de la ville. Les développements modernes de la méthanisation sont issus des tra­vaux d'Imhoff sur les boues urbaines (19't0-19'tl) et des travaux de Ducellier sur les rejets d'élevage. En Allemagne, l'utilisation du méthane provenant de la digestion des boues de stations d'épuration date de 1921. De 1921 à 1931, la récupé­ration du gaz a été pratiquée sur 48 stations d'épuration représen­tant une capacité totale de ^^,6 millions d'équivalents habitant. En 1938, la production totale de gaz sur 53 stations urbaines était d'en­viron 18 millions de m 3 . Par ailleurs, les travaux de Ducellier sur les rejets d'élevage sont toujours utilisés aujourd'hui. La méthanisation n'est donc pas une technique nouvelle ; mais les applications réalisées jusqu'en 1950 ont été longtemps délaissées jusqu'à ce que l'augmentation du coût des énergies fossiles leur fasse bénéficier d'un regain d'intérêt au prix, il est vrai, de difficultés de mise en oeuvre non encore résolues.
  13. 13. 1.2. - ASPECTS MICROBIOLOGIQUES ET BIOCHIMIQUES DE LA FERMENTATION METHANIQUE 1.2.1. - DEFINITION DE LA FERMENTATION METHANIQUE O U METHANOGENESE (SENS LARGE) (1) Par convention, on définit la méthanogénèse sensu lato par le phénomène de la méthanisation dans son ensemble et la métha­nogénèse sensu stricto par l'activité des bactéries métha-nigenes. Dans tout processus microbiologique, à côté du phénomène que désire maîtriser l'homme, par exemple, épurer de l'eau, coexiste le phénomène bien connu des boues biologiques excé­dentaires. Le processus de croissance microbienne est un processus endergonique, c'est-à-dire qu'il consomme de l'éner­gie. Pour obtenir cette énergie, les micro-organismes effec­tuent des réactions biochimiques d'oxydation. On ne peut toutefois effectuer des réactions biochimiques d'oxydation sans effectuer simultanément des réactions biochimiques de réduction. En présence d'air, ces réactions biochimiques de réduction aboutissent à faire réagir des équivalents réduc­teurs avec l'Oy de l'air avec pour résultat la production d'eau. En absence d'air, se pose aux micro-organismes le problème crucial de se débarrasser de ces équivalents réducteurs. La méthanogénèse est le processus microbiologique au cours duquel des réactions d'oxydation des composés organiques qui engendrent l'énergie libre requise par les micro-organis­mes sont couplées à des réactions de réduction aboutissant ultimement au méthane. Ce processus microbiologique a donné naissance à un procédé, la digestion (ou fermentation) métha-nique ou biométhanisation. D'un point de vue scientifique, le terme digestion est préférable au terme fermentation (3). En effet, la digestion se définit par la consommation et l'assimilation de nourriture par tous les organismes vivants et par conséquent la réduction de gros polymères en petites unités. En fermentation, les substrats sont de petites molé­cules, le problème d'assimilation ne se pose pas. 1.2.2. - LE MECANISME BIOLOGIQUE DE LA FERMENTATION METHANIQUE (1) (^f) (5) La dégradation en méthane des matières organiques, parfois hautement structurées, souvent insolubles, comprend trois phases biochimiques successives (cf. figure 2, page 8) réali­sées par trois populations bactériennes bien distinctes (bacté­ries hydrolytiques et fermentatives, bactéries méthanigènes, bactéries acétogènes). Ces trois communautés doivent constituer une biocénose bien équilibrée pour que l'essentiel des équivalents réducteurs pro­duits comme déchets au cours de l'anabolisme bactérien se retrouve finalement dans le méthane.
  14. 14. Ainsi, dans un fermenteur de méthanisation, il existe un ensemble de réactions syntrophiques qui assurent la stabi­lité dans le temps du processus global, même en présence d'une contamination microbienne du substrat introduit, à con­dition cependant que les variations du milieu ne soient pas trop tranchées. La nature de la microflore et des associations est toutefois influencée pas les conditions de la fermentation : composition du substrat ,ensemencement initial du fermenteur, mode d'ali­mentation (discontinu ou continu), température. Les bactéries hydrolytiqueset fermentaires Cette première communauté de bactéries réalise la solu-bilisation de matières organiques complexes (cellulose, pro­téines etc..) et la transformation de leurs monomères en un mélange d'acides et de composés neutres (éthanol). Ainsi les équivalents réducteurs déchets de l'anabolisme anaérobie de cette communauté sont accumulés dans des molécules réduites très simples dont les plus répandues sont les acides gras volatils de deux à cinq atomes de carbone. Ces homo­logues supérieurs de l'acide acétique ne sont pas des éléments indispensables à la méthanogénèse (sensu lato). En fait, les deux intermédiaires nécessaires et suffisants pour l'évolu­tion du processus sont l'acétate et le dihydrogène. A noter que pour les rejets d'industries agro-alimentaires, en général riches en mono et diholosides, l'acide lactique est un intermédiaire intéressant dans la production des acides gras volatils, (^t) La population hydrolytique et fermentative se caractérise par une grande variété taxonomique et un taux de croissance élevé. Elle peut donc s'adapter rapidement à une augmenta­tion brutale de la charge organique des digesteurs. Il ne faut pas oublier que l'étape de "liquéfaction hydro­lytique" peut être un des verrous cinétiques du processus de méthanogénèse (sensu lato), en particulier dans le cas de substrats difficilement hydrolysables. L_es bactéries méthani^ènes (sensustr^cto) La communauté méthanigène comprend deux séries d'espè­ces bactériennes : - La première a comme substrat exclusif le dihydrogène et le bicarbonate. La réduction du dernier par le premier libère l'énergie nécessaire aux bactéries méthanigènes.
  15. 15. Ce faisant, les équivalents réducteurs sont accumulés dans le méthane. La formation du méthane de réduction représente 30% du méthane produit à partir des matières organiques. La réaction est rapide : C O ^ + ^ H . — CH, + 2 H - ^ A G 3 - 31,2 kcal/mole 2 2 ¿1 2 0 o ' La seconde, a pour substrat principal, mais non exclusif, l'acétate. La réaction de dismutation de ce dernier doit procurer l'énergie nécessaire aux méthanigènes. Ce faisant, les équivalents réducteurs se retrouvent aussi dans le méthane. La réaction est la suivante : C H ^ C O O H — C H ^ + CO2 AG^ = - 6,7 kcal/mole Cette réaction est beaucoup plus lente et beaucoup plus défavorable, sur le plan thermodynamique, que la précé­dente. 70% du méthane produit est issu de l'acétate et la lenteur de cette réaction explique les difficultés rencontrées pour obtenir un processus fermentaire stable à partir de substrats facilement acidifiables. Les bactéries méthanigènes isolées jusqu'ici appartien­nent toutes à la classe des archébactéries. Ce sont les êtres vivants les plus anciens de la terre et toujours en vie. Plus ancienne branche latérale du tronc évolutif, ces arché­bactéries et notamment les bactéries méthanigènes se distinguent des autres procaryotes par la composition de leur paroi cellulaire, de leurs lipides ou de leurs ribosomes, par la structure chimique d'au moins un coenzyme oxydo-réducteur, le coenzyme F^->^, qui apparaît être une déa-zaflavine, apparentée au F.A.D. La méthanogénèse (sensu lato) est possible à partir du métabolisme des seules communautés fermentatives et méthanigènes. Il peut exister des communautés fermenta­tives qui ne rejettent que l'acétate et le dihydrogene comme déchets réduits de leur anabolisme, à la condition que la com­munauté méthanigène prélève le dihydrogene au fur et à mesure de sa production. Mais, que ceci ne soit pas le cas, et se développe alors, au prix d'un exercice thermody­namique difficile, une communauté réductrice obligée de protons, parfois appelée acétogène (cf. figure 3, page 9).
  16. 16. .8 Les bactéries acétogènes Le rôle des bactéries acétogènes (encore appelées bactéries acétojgènes productrices obligées d'hydrogène au réductrices obligees de protons) est de transformer les divers composés de la phase fermentaire (acides gras volatils, éthanol, acides organiques) en précurseurs directs du méthane (acide acétique COy/^y^' ^ ^ ^ bactéries sont restées longtemps inconnues, car il est impossible de les isoler par les méthodes classi­ques de la microbiologie des anaérobies. En effet, elles réalisent des transformations qui sont thermodynamiquement défavorables dans les conditions standards. Le développement de ces bactéries ne semble possible qu'aux très faibles pressions partielles d'hydrogène (cf. figure 3, page 9 ) ; cette commu­nauté ne peut donc subsister qu'en présence d'une communau­té syntrophe, par exemple méthanigène, qui prélève le dihy-drogène au fur et à mesure de sa production. MATIERES ORGANIQUES I. Bact«ri«s hydrelytjquss •t farmantaf ivai Hydrolyse •( (trmentation ALCOOLS, A.C.V., ACIDES ORGANIQUES Bactéries acétogénsi productrices obligees d'hydrogène Bactéries methanogénes Acétogènes« CHjCOOH VL. De^c^r^b^xyiation de l'acétaté CH4 + COj ' # 3 0 - / . ) HC03»=î H2C03 "2° * '=°2 S 2 G Le bicarbonate en solution,HCO,, est en équilibre avec l'acide carbonique , H2 CO3, lequel est en équilibre avec l'anhydride carbonique dissous, CO2 g lui-même en équilibre avec l'anhydride carbonique gazeux, CO2 G- ' De ce fait, une partie du bicarbonate produit par la reaction biologique apparaît dans le biogaz sous forme de CO2. La teneur relative du biogaz en CO2 dépend de la matière première, le substrat méthanigène, des voies métaboliques de son catabolisme exergonique par les bactéries, du pu et de l'intensité du pouvoir tampon de la liqueur mixte de digestion méthanique. Figure 2 : Schéma du processus biochimique de la fermentation méthanique (4)
  17. 17. .2 _ 1 -4 z a ? -6 _8 - 1 1 BUTYRATE •" ^V PROPIONATE ^ ^ y" 1 1 . 1 ETHANOL J 1 1 1 / ^ H , 1 1 - _ - - 80 40 0 -40 -80 A C à pH 7,0 • 25''C ( kj ) -120 CH-CHOHCOO + 2 H .O . CH-COO * 2 H^ + HCO^ + H AG; 4,2 KJ CH-CHjOH + H.O i= OT-CH2CH2COO + 2 H.O . CHjCHjCOO + 3 HjO •»= =»CH2C00 + 2 H2 + H ^ 2 CH.COO" + 2 H, + H* -»CH^COO" + HCOj" + 3 Hj + H* AGi = + 9,6 KJ AG; = + 48,1 KJ AGi = + 76,1 KJ Rappels thermodynamiques : La matière vivante respecte les lois de la thermodynamique et en particulier le 2ëme principe, selon lequel dans un système fermé l'entropie augmente toujours. Un transfert d'énergie ne se déroulera spontanément que s'il a lieu d'un niveau élevé vers un niveau bas : les réactions spontanées sont exergoniques ( l'énergie A G libérée par la réaction est par convention considérée comme négative ). Les réactions d'acétogenèse sont thermodynamiquement défavorables dans les conditions standards ( cf. valeurs des AG ). Cependant, elles se réalisent d'autant plus facilement (AG d'autant plus négatif ) que la pression en dihydrogène dans le milieu est faible. Pour être possibles, les réactions d'acétogenèse doivent se dérouler dans un milieu où l'on prélève le dihydrogène au fur et à mesure de sa production. Figure 3 : variations d'énergie libre dans les réactions d'acétogenèse et influence de la pression partielle d'hydrogène. (6)
  18. 18. .10 1.2.3. - RELATIONS ENTRE ESPECES BACTERIENNES LORS DE LA FERMENTATION METHANIQUE Les relations les plus importantes entre les trois communautés bactériennes portent sur le devenir de l'hydrogène. Les bactéries utilisatrices d'hydrogène sont fondamentales pour assurer l'équilibre du procédé. Nous savons que le maintien par les bactéries méthanigènes d'une très faible pression partielle d'hydrogène est indispen­sable pour permettre l'activité de la population acétogène. De plus, l'activité des bactéries utilisatrices d'hydrogène orien­terait le métabolisme des bactéries hydrolytiques et fermen-tatives. L'éauilibre biocénotique des trois communautés microbiennes anaerobies de la méthanogénèse est indispensable pour un bon fonctionnement du processus de méthanisation. Malheureuse­ment, cet équilibre est instable et soumis aux variations du milieu. De la facilité d'adaptation des populations à ces varia­tions dépend le rétablissement ou l'arrêt de la fermentation. Des exemples de déséquilibre seront exposés au paragraphe 1.2.5. 1.2.if.- IMPACT D U PROCESSUS MICROBIOLOGIQUE DE LA M E T H A ­NOGENESE SUR LA TECHNOLOGIE DE BIOMETHANISATION (1) Les connaissances fondamentales sur le processus microbiolo­gique de la méthanisation régissent maintenant les facteurs de décision dans le choix d'un système de méthanisation. - Le choix entre les systèmes de digestion discontinus (milieu non renouvelé) et les systèmes continus est déterminé à partir d'une règle fondamentale de l'écologie. Une communauté d'organismes, de micro-organismes sera stable dans des condi­tions septiques, c'est-à-dire résistera aux "infections" micro­biennes venues du dehors, à la condition que l'écosystème tout entier soit stable, c'est-à-dire aussi ses composants phy­siques et chimiques. Cette règle est nettement en faveur d'un système continu maintenu en état stationnaire. - Une des limitations de la méthanisation est la lenteur de croissance de la biomasse méthanigène et en conséquence une faible vitesse de production de biogaz. La raison en est que l'H-, substrat énergétique essentiel des bactéries méthani­gènes, ne peut s'accumuler dans le milieu de digestion pour des raisons thermodynamiques (cf. figure 3, page 9 ). Une concentration nécessairement faible du substrat entraîne obli­gatoirement une faible croissance de la biomasse méthani­gène.
  19. 19. .11 Par conséquent, quand ce sera possible, on s'orientera vers des procédés permettant de maintenir dans le fermenteur une biomasse active très concentrée (recyclage à partir de décan-teurs , fermenteurs à lit de boues, fermenteurs à biomasse fixée ...). 1.2.5.- IMPACT DU PROCESSUS MICROBIOLOGIQUE DE LA METHA-NOGENESE SUR LA CONDUITE DES FERMENTEURS Certaines règles de conduite et d'optimisation de la digestion méthanique découlent d'impératifs microbiologiques et biochimiques de la méthanisation. Influence de la ien^teufde la réaction _de_d_écarbqxyjat_ion_ de râce'tatë'D') La decarboxylation de l'acétate est la réaction la plus lente du processus biochimique de méthanisation. Cet état de fait a des conséquences importantes sur le déroulement du processus. En effet, en cas de surcharge du digesteur, les bactéries res­ponsables de l'acidification , ayant une vitesse de crois­sance élevée, vont s'adapter très rapidement en produisant un essai d'acides gras volatils. Par contre, les bactéries respon­sables de la decarboxylation de l'acétate se développant très lentement, on assiste à une accumulation régulière d'acide acétique, premier symptôme de la surcharge du digesteur. Assez souvent, on observe simultanément l'apparition de propionate résiduel. En effet, il est à peu près bien établi que la dégradation optimale du propionate nécessite à la fois une pression partielle d'hydrogène très basse et l'absence d'acétate résiduel. Dans une étape ultérieure de la dégrada­tion du procédé, on observe l'apparition d'acides gras a plus longue chaîne (butyrate, valerate, caproate). Cela met en évidence un ralentissement de l'acétogénèse et des perturba­tions profondes dans le déroulement du processus fermentaire. Cette inhibition, plus ou moins prononcée, est le plus souvent due à une baisse du pH ou à la présence de toxique et, dans ce cas, la restauration du fermenteur est longue et diffi­cile. Il est donc essentiel, pour éviter un déséquilibre de la fer­mentation, de déterminer la charge organique maximale admis­sible par le digesteur, c'est-à-dire compatible avec une dégradation complète des acides (c'est un des buts des essais pilotes). Et, pendant la période de fonctionnement du fermen­teur, il est recommandé de contrôler le taux d'acides gras volatils (AGV) et principalement le taux d'acide acétique.
  20. 20. .12 Rôle de la tenngérature L'équilibre biocénotique des trois communautés microbiennes anaerobies de la méthanogénèse sensu lato ne s'observe jusqu' ici que dans deux plages de température : l'une aux environs de 35°C (méthanoçénese mésophile), l'autre aux environs de 60°C (méthanogénèse thermophile). La température semble affecter en premier lieu la vitesse de croissance des espèces bactériennes constituant la communauté réductrice obligée de protons et peut être celle des espèces bactériennes méthanigènes qui utilisent l'acétate comme substrat principal, si pas exclusif, puis le taux spécifique de croissance des espèces bactériennes méthanigènes qui utilisent la réduction du bicarbonate par le dihydrogène comme source d'énergie vitale et enfin la liquéfaction hydrolytique , première attaque enzymatique de la matière organique de départ, lorsque celle-ci a lieu. Donc, conduire une fermentation à température ambiante, semble affecter la croissance de la biomasse et les rendements. En général, pour des raisons de coût énergétique, les expérien­ces de méthanisation se font à des températures voisines de 35°C. Régulationdu p_H Le bicarbonate produit par les communautés microbiennes se trouve en équilibre avec les cations métalliques libérés par la consommation métabolique des anions organiques, présents au départ, et avec les ions ammonium formés dans le respect de l'électroneutralité. Ce faisant, le pH du système est sta­bilisé à une valeur déterminée qui devra se situer approxima­tivement entre 7 et 8, si l'on veut accumuler les équivalents réducteurs dans le seul méthane final. Ce faisant aussi, par le jeu de l'équilibre prescrit à ce pH de l'anhydride carbonique avec le bicarbonate, une partie du bicarbonate produit par le métabolisme bactérien se retrouve comme anhydride carbonique dans le biogaz (cf. figure 2, page 8 ). Le maintien du pH est lié à la teneur en acides volatils et à l'alcalinité du milieu surtout due aux bicarbonates qui, avec les ions ammonium, sont responsables du pouvoir tampon du digesteur. (En pratique, cette réserve alcaline se déter­mine par le T . A . C . : taux d'alcalinité complet). Toute varia­tion d'un de ces paramètres (pH, AGV, TAC) entraîne un déséquilibre du système.
  21. 21. .13 Ainsi, l'accumulation d'acides gras se traduit, à pH constant, et du fait du pouvoir tampon du digesteur par une diminu­tion progressive des bicarbonates dissous et une libération de gaz carbonique. Parallèlement, on a une baisse de la poduction de méthane due à l'inhibition des bactéries méthanigènes par les acides gras. Cependant, cette baisse de la production de méthane est compensée par le déplacement des bicarbonates. Ainsi, le volume de gaz produit reste constant mais sa composition se modifie rapidement. Le contrôle du pH, du T A C , de la teneur en méthane du gaz de digestion, est indispensable pour éviter l'inhibition totale de la methanisation. (7) Inhibition delà methanisation par le_s__t_oxigue_s et les i[!hit)_iteu_rs_ Les substrats de methanisation ne doivent pas dépasser des valeurs seuil en certains composés (NH^, S, métaux lourds, composés organiques spécifiques) à caractère toxique. Ainsi, par exemple, si la matière première contient des sulfates et que ceux-ci se retrouvent dans la liqueur de digestion, les bactéries sulfato-réductrices vont tendre à supplanter les bactéries méthanigènes et le digesteur produira de l'H- S au lieu de méthane. L'effet inhibiteur des sulfates sur la productivité en méthane est bien connu, (cf. figure 2, page 8 ).
  22. 22. . l ¿f 1.3. - LES DIFFERENTS PROCEDES DE BIOMETHANISATION (1) (7) (8) (9) Les figures 't et 5 (page 17) résument le principe des types de digesteurs ou de systèmes de digestion anaerobie qui sont utilisés pour la biomethanisa-tion de matières organiques. 1.3.1. - PROCEDE DISCONTINU (EN BATCH) L'alimentation est intermittente et le contenu du digesteur n'est ni chauffé, ni mélangé. Ce système trouve son application pour la fermentation de déchets solides (ex : fumiers). Le temps de séjour paraît se situer aux environs de kO a ^5 jours. 1.3.2. - DIGESTEUR A M E L A N G E COMPLET (C.S.T.R.) C'est un réacteur alimenté en continu, brassé, dont le contenu est homogène. Cette technologie classique est utilisée pour des résidus semi-solides comme les boues agricoles. Son intérêt est de pouvoir traiter des efjfluents très concentrés (DCO > 60.000 mg O2 x 1 - ), riches en matièrs en suspension. 1.3.3. - DIGESTEUR CONTACT Ce digesteur se différencie du cas précédent par l'adjonction d'un decanteur permettant de séparer l'effluent traité des boues qui sont recyclées vers le digesteur. De plus, en amont du decanteur, il peut parfois être incorporé un dégazage in­duisant une décantation meilleure des boues. Ce procédé permet, par rapport au procédé à mélange complet, d'augmenter la concentration en bactéries actives dans le fer-menteur. La durée du traitement peut être 2 à ^f fois plus courte, selon les performances du decanteur. L'application de ce traitement convient à des eaux rési-duaires de concentration moyenne (DCO comprise entre 15 000 et 60 000 mg 0_ x 1 - ), et pouvant contenir des matières en suspension. Les procédés qui vont suivre ont été développés pour le trai­tement .d'eaux résiduaires peu concentrées (DCO < 10 000 m g O2 X 1- ) et dépourvues de matières en suspension. Le principe est de retenir dans le réacteur le maximum de biomasse active, en vue d'augmenter les charges volumiques à traiter. On a pu ainsi obtenir des performances d'épuration et des productions de méthane intéressantes, avec des temps de passage de l'eau résiduaire dans le fermenteur compris entre 6 et 2^ h. Cela impose de pouvoir maintenir à l'intérieur du système des concentrations très importantes en bactéries (jusqu'à 100 g/1), performance inaccessible avec les décanteurs.
  23. 23. .15 Ces procédés sont encore peu répandus industriellement à cause de l'intérêt récent suscité par la fermentation méthani-que en tant que moyen d'épuration des effluents peu concentrés. Ils font cependant l'objet de très nombreuses actions de recherches et de développement car ils constituent, dans le cadre de la méthanisation, les procédés d'épuration d'avenir. Et notons que les fermenteurs a lit de boues sont utilisés de façon très satisfaisante pour le traitement des eaux rési-duaires en sucrerie et en industrie de la pomme de terre. 1.3.'*. - FERMENTEURS A BACTERIES FIXEES Les bactéries sont fixées sur un support, ce qui permet de con­centrer la biomasse. Dans les systèmes utilisés, on distingue le filtre anaérobie et le réacteur tubulaire à film fixé. Le filtre anaérobie ascen­sionnel est bien adapté aux effluents dilués et peu chargés en matières en suspension (11). L'utilisation du système à film fixé et l'alimentation du filtre par le haut permettent de résoudre les problèmes de colmatage et de repartition de l'effluent d'alimentation, habituellement rencontrés avec les filtres (12). 1.3.5. - DIGESTION A TRAVERS UN LIT DE BOUES (PROCEDE U.A.S.B.) Pour LETTINGA et V A N VELSEM (13), le support inerte néces­saire au lit bactérien est inutile. Il est en effet possible d'obtenir des flocons de bactéries méthanigènes , présentant de bons indices de boue et de bonnes vitesses de sédimentation. Ceux-ci permettent l'emploi de digesteurs tubulaires à flux ascensionnel, dont la partie supérieure est particulièrement conçue pour la clarification. Ce procédé est adapté aux traitements des effluents dilués et peu chargés en matières en suspension. Il permet de travail­ler avec des charges volumiques atteignant 25 kg de matières volatiles par m et par jour, pour des temps moyens de séjour hydraulique de l'ordre de 6 heures. Il a été appliqué de façon très satisfaisante à l'échelle industrielle aux effluents de su­crerie et de transformation de la pomme de terre. Cependant il n'est peut-être pas généralisable à tous les types d'effluents dans la mesure où les performances d'épuration paraissent liées à la formation d'une qualité particulière d'agglomérats bac­tériens (dits boues granuleuses ou "pellets"). 1.3.6. - LIT FLUIDISE Dans les lits fluidisés, les micro-organismes sont accrochés à un support et l'ensemble est maintenu en suspension dans le milieu par un passage rapide de l'eau. Ce support peut être des particules fines (sable), des micro-particules lourdes comme du verre, du carbone ou des oxydes métalliques.
  24. 24. .16 JEWELL à.ITACA (l'^) a atteint des charges volumiques de 20kg X m X j avec un tel réacteur. La concentration de la bio­masse peut atteindre 100g x 1 dans le lit. Ce procédé per­met de traiter des eaux urbaines à température ambiante avec des temps de séjour de 15 à 30 minutes. En maintenant les particules en expansion, on évite la création de chenaux et le volume mort est faible. Mais, les eaux doi­vent être peu chargées en matières en suspension ; d'autre part, le lit fluidisé est un procédé assez complexe dans sa mise en oeuvre. 1.3.7. - PROCEDE A D E U X ETAPES Dans les procédés précédents, les différentes populations de bactéries de la fermentation méthanique sont placées dans les mêmes conditions ; leur exigences pour une croissance op­timale étant différentes, elles ne peuvent atteindre simultané­ment leur potentiel métabolique. On a donc imaginé un sys­tème à deux étapes où les deux phases biochimiques (acido-génèse, méthanogénèse) ont lieu dans deux digesteurs diffé­rents, en série, alimentés en continu, avec la possibilité de recycler les boues dans chacun des deux digesteurs. (7) (9) Ce procédé, qui a été présenté comme un progrès majeur il y a quelques années, est actuellement remis en question par les spécialistes de l'écologie microbienne des digesteurs (10), et du fait de la découverte récente que le dihydrogène est le lien nécessaire entre l'acidogénèse et la méthanogénèse. Cependant, il reste attrayant de pouvoir utiliser la premiè­re étape comme prétraitement ou stockage contrôle du substrat, en vue d'améliorer l'étape de liquéfaction. Il faut en effet se souvenir que la liquéfaction des résidus solides et semi-solides et leur solubilisation en molécules organiques est souvent une étape limitante du procédé de biométhanisation. (1) Le choix d'un système de méthanisation sera donc fonction de la nature de l'effluent à traiter, des possibilités d'inves­tissement dans des procédés plus ou moins complexes et onéreux, de l'utilisation du digesteur en laboratoire ou à l'échelle indus­trielle. De plus, le dimensionnement des installations indus­trielles pose encore des problèmes d'échelle. Si l'on connaît bien les charges volumiques applicables à des pilotes de quelques litres à quelques mètres cubes, on ne possède que très peu d'expérience sur les charges applicables aux unités indus­trielles.
  25. 25. .._...^ L:_.^. .17 ConirentionAl High rale digest« + Effi^enf- Sluaoc Influeni Influent Recit-culation UASB - process Fluidized bed process Piqûre 4 ; Systèmes äf^ digebtior anaorobic ÍM RESIDUS LIQUIDAS (<iog X r^) BOUES RESIDUS SEHI-SOLIOES (10-200g X r^) RESIDUS SOLIDES (> 200 g X l-lf PRESENT FUTUR LIT DE BOUE ANAEROBIE ASCENTIONNEL yyyy RECYCLAGE DES BOUES X 1 UN ETAGE X 2 DEUX ETAGES DIGESTEUR INFINIMENT MELANGE LIT FLUIDISE ASCENTIONNEL TEMPS MOYEN DE SEJOUR saiDES : ELEVE HYDRAULIQUE : FAIBLE DIGESTEUR CONTINU DIGESTEUK EN MILIEU NOM RENOUVELE Figure h : Principe des types majeurs de systèmes de digestion anaerobia méthanique ( 1 )
  26. 26. .18 1.4. - PARAMETRES CARACTERISANT LA BIOMETHANISATION ET LEUR USAGE POUR LA TECHNOLOGIE DES FERMENTEURS Il apparaît indispensable de connaître d'une part, des paramètres capables de rendre compte fidèlement du fonctionnement d'un diges-teur et, d'autre part, des paramètres sur lesquels il faut agir pour contrôler la digestion. Certains aspects de ce problème ont déjà été abordés précédemment (cf. 1.2.5.) mais la question demandait à être plus approfondie. Les conditions de fonctionnement d'un traitement anaérobie étant liées à la nature du substrat, il est nécessaire, avant le démarrage de toute fermentation, de connaître assez précisément les caracté­ristiques de l'affluent (pH, DCO, MS, MES, TAC, AGV, N , P, métaux). Un des premiers points à préciser, lors des essais pilotes, est la détermination de la charge organique maximale admissible par le digesteur et exprimée en (kg D C O x kg MVS ds réacteur x j ). Avec le pH et la température de la liqueur de digestion, les para­mètres nécessaires et suffisants pour caractériser un état particu­lier de manière univoque sont les suivants : - la concentration des. charges af f luentes et ef f luentes soit en solides volatils (g MVS xi ), soit en demande chimique on oxygène (mg 0-, X 1 ) ou de préférence les deux. - le temps moyen de résidence hydraulique (j). -3 -1 - l'efficacité volumique (1 gaz x m digesteur x j ) soit, en litres, la production journalière de gaz par litre de réacteur. - le pourcentage de méthane dans le gaz produit. Il est inutile d'indiquer la chargevolumique (kg D C O x m digesteur X j ), le rendement (1/-L.¿, X kg DCO introduite), la conversion (kg DCO transformée x i<g - 1 D C O introduite), soitlje pourcentage d'épuration sur la D C O , et l'efficacité (l(-ij¿, x kg DCO transformée) bien que ces derniers paramètres puissent se calculer à partir des paramètres nécessaires et suffisants. Pour savoir si la fermentation anaérobie se fait correctement, il est nécessaire de contrôler les paramètres suivants : - le pH - le TAC (qui traduit le pouvoir tampon du digesteur) et plus préci­sément l'alcalinité due aux bicarbonates, - la teneur en acides gras volatils et surtout le taux d'acide acétique. Toute augmentation de cette teneur dans le milieu traduit une diminution de l'activité méthanigène, - la production du gaz et son pourcentage en C H ^ , - la D C O de l'effluent de sortie. La microbiologie et la biochimie de la fermentation methanique, malgré les acquisitions récentes, restent encore mal appréhendées. Il est donc nécessaire, pour éviter des accidents de fermentation, de suivre le maxi-mun possible de paramètres caractérisant la biométhanisation.
  27. 27. .19 1.5. - BILAN DES AVANTAGES ET DES INCONVENIENTS DE L'ANAEROBIE (15){1 Des arguments pour et contre le procédé anaerobie sont donnés dans le tableau 1. Tableau 1 - Avantages et inconvénients de i'anaerobie AVANTAGES - Conversion de la majeure partie du C organique en un caz combus­tible (5 500 kcal x m , teneur en CH¿^ de l'ordre de 65%) - faible production d'une boue fluide, aisément transportable, homogène, aux caractéristiques lentement variables - taux de stabilisation de la matière organique élevé permettant d'éviter toute fermentation acide ultérieure, possibilité d'un stockage prolongé de durée indéfinie a ciel ouvert et manipulation sans nuisance des boues pro­duites - faible utilisation d'énergie électrique - réduction appréciable des germes pathogènes INCONVENIENTS - lenteur de reproduction des micro-organismes méthanigènes - démarrage délicat et lent de la méthanisation - température relativement élevée (35°C) de la réaction - la méthanisation n'est qu'un prétraitement. Ce procédé n'élimine pas l'azote - problèmes dus à la réutili­sation du gaz difficilement stockable
  28. 28. .20 1.6. - LES APPLICATIONS CONNUES DE LA FERMENTATION METHANIQUE Le procédé de methanisation est actuellement connu et appliqué avec succès dans les domaines suivants : le traitement des boues des stations d'épuration, les déjections animales (fumier, lisier, fiente), le prétrai­tement des effluents concentrés des industries agro-alimentaires. 1.6.1. - LE TRAITEMENT DES BOUES DES STATIONS D'EPURATION 150 stations d'épurations urbaines en France, dont Achères et Rennes, (soit 15 millions d'habitants) utilisent la methanisation pour stabiliser les boues, rendre leur maniement plus facile, et réduire leur pouvoir pathogène. A ces objectifs premiers s'est joint, il y a quelques années, la possibilité de récupérer sur place le biogaz, utilisable soit dans les moteurs à gaz, soit pour le chauffage. Cette relance de la digestion anaérobie, due à la crise de l'éner­gie, a permis d'améliorer les techniques et d'optimiser la production de gaz dans les stations d'épuration. De plus, les boues déshydratées peuvent être utilisées en agri­culture comme amendement des sols. Dans le domaine de la stabilisation des boues de stations d'épuration, la methanisation est donc bien intégrée grâce à l'expérience acquise et aux efforts consentis. 1.6.2. - LES DE3ECTIONS ANIMALES Contrairement aux considérations précédentes, le but de la fermentation méthanique est, dans le cas des déjections ani­males, la production de biogaz, excepté pour les lisiers de porcs où un objectif supplémentaire est la désodorisation. Cette utilisation à des fins énergétiques du traitement anaéro­bie a représente 63 millions de TEP mondial en 1976, dont 93% dans les pays en voie de développement (Chine, Inde). Les réalisations françaises sont à l'état d'unités industrielles expérimentales. 1.6.3. - LE PRETRAITEMENT DES EFFLUENTS CONCENTRES DES INDUSTRIES AGRO-ALIMENTAIRES Dans ce domaine, le triple intérêt (énergétique, dépolluant et fertilisant) de la methanisation trouve sa pleine mesure. La methanisation permet : - de récupérer les calories "bas niveau" de l'usine pour le maintien du fermenteur à sa température optimale de fonc­tionnement (35''c) ,
  29. 29. .21 - de produire un gaz combustible, facilement réutilisable sur place pour la production de vapeur ; - d'effectuer l'épuration avec une très faible dépense d'énergie ; - de valoriser la biomasse produite. Ce domaine est récent, des problèmes technologiques se posent encore. Il existe une vingtaine de réalisations connues dont celles de Redon (pectinerie), Vauciennes et Goussainville (sucreries), Renescure (conserverie), l'objectif premier étant l'épuration de rejets ne pouvant être traités par la voie aérobie. Depuis quelques temps, un quatrième domaine d'application de l'anérobie voit le jour à savoir la récupération rustique du gaz de décharge d'ordures ménagères. Il existe 3 réalisations françaises (Ex. St Etienne).
  30. 30. .22 1.7. - RESULTATS DE METHANISATION SUR DIFFERENTES UNITES DE TRAITEMENT D'EFFLUENTS LIQUIDES AU NIVEAU DU LABORATOIRE, DE PILOTES SEMI-INDUSTRIELS ET DE REALISATIONS INDUSTRIELLES 1.7.1 - PRESENTATION DES RESULTATS Le tableau 2 (pages23 à 28) regroupe différents essais de méthanisation effectués sur des rejets liquides. 1.7.2. - EXPLOITATION DES RESULTATS Les résultats obtenus sur des installations présentent : - des rendements d'épuration de l'ordre de 90-95% sur la D C O soluble pour une .charge massique comprise entre 0,2 et 0,5 kg D C O X kg X j aux environs de 35°C. On ne doit cependant pas perdre de vue qu'actuellement les procédés ne sont souvent qu'une étape dans l'épuration et qu'un traitement de finition est souvent nécessaire. Apparem­ment, ces procédés n'éliminent pas l'azote. 3 -1 - La production de gaz est voisine de 0,5 m jc kg DCO détruite avec une teneur en CH¿^ de 50 à 70 %. 1 m de gaz équi­vaut à 0,5 - 0,7 1. de fuel. - La production de boues est de l'ordre de 0,1 à 0,2 kg boues x kg DCO appliquée, soit 3 fois moins qu'en aérobie. La valeur en nutrient est de plus augmentée. La valeur fertili­sante du résidu est "théoriquement" bonne. Nous obtenons ainsi un système présentant un triple intérêt énergétique, dépolluant et fertilisant, encore que ce dernier n'ait été ni infirmé, ni confirmé.
  31. 31. TABLEAU 2 RESULTATS D'ESSAIS DE METHANISATION. Origine du document Tli« u|> f low rcaclur for anaerobic treatineiil. of wastewater contain ing Cáitty acid fi R Van der Meur Ki; Pet te PH HeertjcB R de V letter Congrès de Stuckliolra (17) Faisabilité de la digestion annérobie Lett inga (18) Nature de l'eau solution sucrée acidifiée jnlorcain(>a'- gne bette­raves (eau de l*usiue) campagne de betteraves inter­campagne de betteraves blanchie - ment lia rie o ts verts L;ltoucroute laiterie rejeta d'alcoul traitement d ponntes de terre (agoit neutra l isant: la chaux) t rait.eoient de punmics de terre Procédé UASB UASB î Taille Installation ü , 0 6 no 11 . 1,0'i m 0 . 0 , 2 9 m ' Vdec°0,OII]n3 6 113 M - 3,26ni 0 - 1,6m Vdec 1,15m3 30 m3 H - 6 m 0 - 2,6 m Vdec l,îin3 33ra3 H - 6,5 0 - 2,6 Vdec 5,6 ni3 20A in3 H - 4,5 m 0 - 7,501 Vdec 53,5oi3 2,7 1 H - 0,5 m 2,7 l H -0,5 D 2,7 1 H - 0,510 18 1 11 - 0,5 oe 6 nJ 6 m3 6 tn3 6 Di3 50 m3 • CarActéris-tiqu «8 de l'eai cor 294(^8/' (centrifugé) ( D C O 4000 mg/l ) ZAc.Vol.33Z ( de la lieu ) ( DCO 3600 mg/l ) ZAc.vol 60% ( de la DCO DCO 2000mg/l Z Ac Vol 60Z DCO 35001I1S/1 Z Ac vol 20Z DCO 4200inB/l Z Ac vol 89Z DCO 5200mg/l DCO 10.20g/l DCO 1500 mg/l DCO 12 g/l DCO 2000- 5000mg/l D* D° DCO 4000 - 165000 mg/I DCO 10 0Ü0 20000 mg/l Charges Vol.J ig/in3.J 10,4 16.3 32 11,1 11 14,1 8-10 8-9 7-8 18 3 - 5 10-15 15-18 25-45 7 Massiqie Kg/Kg.J I U,54 0.81 1.30 0,42 1,34 0 , 6 - 0 ,8 0 . 8 - 1,2 0 , 4 - 0 ,6 0.5 Rendeioent d' épuration Z 91 sur ÇOT (centrifugée) 91 (sur DCO (centrifugée) 75 (DCO centii fugée) 63 Z 93 Z 90Z 80-95 Z (DCO sol) 81- 93 Z (DCO sol) 90Z (DCO sol) 100 Z (DCO sol) 95 Z (DCO sol) 95 Z (DCO sol) 95 Z (DCO soi) 93 Z (DCO sol) 91 - 97Z (DCO sol) Production de gaz 1 ,04iii3/kgC0T / y O , 4 m 3 / k g D CO 0 , 4 5 ra3/kg 0,27m3/kgDCO par défaut (fuites) 0.43m3/kgDCO 0,5m3/kgDCO ê1iminée 0,35 â 0,43 m3/kgDC0 éliminée Teneur en CH, 4 77 Z 70Z ) ( ) ( 90 Z ) ( ) 90Z 72 Z 83 Z Infonn^it iiHts f^^urnies d an s 1 ' a r l i c 1 e Z a c i d i f i c a t i o n = 91 Z D e s c r i p t i o n de 1't-UKCnihie vies p i l u l e s . Etude de 1 ' int 1 iit-ure d e la h a u t e u r <• L du diainùlre - Concentration des boues dons le lit pouvant atteindre 80 g/l - en haut du lit IOg/1 Idée de base ilu piofttlé UASB: maintenir les ronditiuns phy-sicochimiqiit'R pour cbteuir uie bonne déçan td c iuii - - suf f isaniraeu t de nulritïits - présence de cations divalent s Ca** - absence de fines particu­les d if fici Innen t décantables Les facteuis (|U i infhienrent la "pe U e t i s.ii i ou" iont : - conditions de croissjnce et de f Locul at j on - brass.ige (horizontal / v e r t i c a l et son in l u i s i té) - tauteur d u r é a c t e ur - démarroí'p - type d ' e au Les eaux i-tu.liées ont p e u de MIÎST K ' O d i s s o u t e / y 9 0 à 100 Z eritici -
  32. 32. Origine du document Digestion anaerobic des effluents agro-alimentaires Couplet, . Albagnac Morfaux (19) Epuration et valorisation énergétique de: eaux résidu-aires Je conseï verie de légumes Morfaux ALI>agnac, Touzel INRA de Villeneuve d'Ascq (20) Mé Llianl sa tion et épuration des effluents d'industries agricoles et nlioientaires Exemple des eaux de distil­lerie Buries et Maugene t INUA Narbonne (21) Nature de l'eau effluent synthétique d) dextrine saccharose bouillon peptone + minéraux (^ sans saccharose blanclieur petits pois blancheur haricots verts pelage carottes vinasses de vin blanc Procédé 2 étapes acidogène et mâthdnigène digesteur mono-étape contact an aérobie contact anaérobie contact anaérobie 2 étapes acidogène et raëtlianigèn* Taille installation 1,5 litres 10 litres 20 1 20 1 20 1 20 1 2 1 - 6 1 20 1 Caractéristi­ques de l'eai DCO- 8900mg/l DTO-lOOOOmg/1 DCO=26500mg/l Corg 1IOOOmg/1 DCO-l6000nig/l C org - 6400, tng/1 DCO- 4000Qng/l Corg 23O0Omg/l DCO - 78 - 85000 mg/1 (le glycerol et l'acide lactique re­présentent 40 à 50 Z du C de la vinas­se) Charges Vol. Massique kg/m3.J eni ÜCÜ B,9K>;/m3 J Z.'i 3,5 2.7 3.5 4 K e / k g . . 0,5 0,6 0,31 0,45 Rendement épuration 95Z(DC0 sol.) 89% pto entier) 95 Z (DCO soll 95 Z (DCO soll 96Z (DCO sol) 96 Z" (DCO sol) 95 Z Production en gaz O.itó/lsgDTO éliminée 0,49m3/kgDCO 0,49m3/KgDC0 0,54m3/kgDCO 0,43in3/kgDCO 0,51m3/kg Teneur en Ch, 4 bu  60 % 60 Z 55 Z 55 Z teneur Cil, 70-75 Z Inf OLitiat iutis fournies djns i'ai'ljclt.' Indications dus mêrhodes ana­lytiques utilisées - Influence du dugré de polyméri­sation de l'influent - pertes en MS :^I,8 g/l La mesure de bicarbonates dontp une bonne indication du fonctionnement - A pH constaul, quand les ar.idui ^ugmen tent et quu W; 1) i i.n rbu-nate dininuc, il se produit un dégagement <le CÛ_ - ^ pertes en M S importantes : 5 . 8 g/1 -Notes sur appareillage analyti­que - Alcalinité totale dus eaux tris importantes 20-23g CaCO /l -Etude de la vitesse de Uegr.iü.i-lion des d i l'xeri'ii ts acides ucétique» i;rcpioniqiie, hntyri-que - -pli de la pliase ac iiinc.êne : 5 , H - 6.5 -pH de la |)hase noi t liin ij:ene 8 ¿ - 8 .5 -la prer. 1 ni Lat 1 on »les jons On sons la rnniie earboii.iLe, tait <]uc les boues son t ii.i ne ra Itis tt bien floculéos eL que la teneir en CO^ du ^az est faible - C du Cil produit rn^irésente eir viron 50Z tin C initi.il -
  33. 33. Origine du docunienC Factors influ­encing tlie treaLnent of high ecrcngli from the patato proces­sing industry by anaerobic fermentation Parker - Congrès de Stockholm ;22) Treatment of concentrated industrial or­ganic waste means of the anaerobic di­gest processus Ross Afrique du Sud) Congrès *^^ Stockholm Nature de l'eau Pofnne de terre - eaux très concen trees â fai ble débit Eaux de té cule de mas et d« fa­brication de glucose Procédé I étape Fermeiiteur + clarifica-teur nlaridiges-teur modi­fié alimen­té en SOIS inverse Taille installation Ami Etude de I6 ' mois 2 X 600 m3 O S ' C ) Caractéri ques de isti-j Charces l'eau ^°'- "^*'- DBG, 50g/l eaux distil­lerie 231 Wastewa ter trefltntenl of tMiergy recove­ry in expan tlpd bed syntt^iQ ['"ros tel 1 (15) mélasse canne ä sucre de dige steur clarifi-cateur digesteur clarifi-cateur 624 mJ 654 iii3 400 m3 6,3 m3 1,9 m3 (2 ans d'étude) DCO=10000 mg/l 0,6 Kg DB0/m3J 2,4KgDC0 /ra3.J 0 , 4 Kg/ UgVSS.. DC0-220p0 mg/l 3,2kg./ m3iJ mélasse de bettera ves lit expansé (L sable H - 1,25m 0 • 85 mm 1,31 sable /I3 1 puis 2,61 sable et décanteur 20 â 30Z de 1 effluent total 65Z de la pollution DC0-2200p IllR/l 4kg/m3.J DCO -9100 mg/l 20-25 (g DCO / n3.J Rendement d 'épuration 95 7. sur ÜBÜ, 93 X 97,3ZDC0 Production de gaz 2,4 m3/J Teneur en Cil, 65 ilOZ CH, 69,5 Z 2kgDC0 /kg.J 0,5lm3/KgDCO 0,30m3/KgDrX) Informations fmiriiie.s d.iiis l'art il-If Acclimatation H senuiines -Présence de toxiiinc rhloré CIPC Iso propyl N-J ihlorophé nyl carbonaro inhibir cur à une concentrijL ion ^ "JO iity/l -Concentration 10 (;/] i-n Un -Quand le rspiiorl ;icidit>? v o U tile/alcalin i té croit de 0 ,7 ä I, le processus s'arrête el est très long ;i se rétablir -Le Clostridia Acetobotyl icuni gui fait déerader 1^ ft'tiile en acide butyrii|uc piolifère úhs que la coiueiit rat ion des boues diminue - -Contrôle des graisses cL des fibresdans l'eau eC les boues pour une bonne décantai i ou - Bonne décantation des boues due certainement à In présena? de charbon actif dans les eaui traitées (utilise pour la p u ­rification du glucose). Boues S 45 g/l - Recherche sur digesleur NIWK •Ktudc du problêuic d ' ag i l al i on sur le c 1 ar id i ^e si en r iJe b/hnl [l tuur/90 minutes) - -Un accroi sseitienl de l('°C tjcnibl l'activité dans la gamme 13 - 35°C - A 4 5 ' ' C , il existe une légère di^iiÉiotion de l'jetivi té - -Après un arrGt de 4 r.iois le priK:e,ssus ¿i lepi is en Í siiinaines - 56 Z Cil, Problèmes technologifiues non résolus - beaucoup de portes en MliGT - Estimation île la concent rali on des boues à 7 g/1 - to un
  34. 34. Origine du document Hini stère de 1 environnement et du cadre de vie Fernen tat ion iiéthanique des eaux résiduaires industrielles Mai 1980 (1 U (24) Traitement des eaux résiduaires ptir fermentation núclianíque J . P . I^scure et P.Bou ri et (Sucre ries Frauda i sea) (?5) Nature de l'eau brasserie Amidonnerie transform^ion de la farine de blé en pâte séparation di gluten et de l'amidon Pectines 1 vinasse de distillation et eaux de lavage 700 m3/J 1 sucreries Procédé digesteur * décanceur Bioénergy digeateur + clarifi£a~ teur * bouea activées en fini­tion pilote industriel pré-neutra­lisation dénitrifi-cation digesteur dêcanteur fermenteur central dêcanteur périfériqie pilote Taille installation I S . S C L ) 5 , 6 I B3 traite u e 660 a aoo iii3,, soit ' 5930 à 8800kgüBO /J * au I/IO de 400m3 I30ni3 3000 in3 250iii3 80ani3 S • 400iii3 30 m3 Caractéristi­ques de l'eau DCO 4200 à 5300 mgA DBG 2J00 à Z900mg/1 DBO 8900 mg/l MEST 1333 mg/l pH 4.5 DCO leoOOoeg/l NO- -4300mg/l DCO-5900m8/l DB0?3980mg/l NTK" 49,7 P - 8.4 S - 6,5 DCO- 260nmg/l Cliarges Vol. <g/m3.J 0,65 (ts-6I) 0,68 (ts-5J) 1 (tB*4J) 3 , 7 •'g DC0/m3. J 3 à 6 kg uto/ n/3.J J kgllCO Mass. Kg/kg.J 0,108 0,09 0,12 Rendement d'épuration /6 '«/°™Ap2c) 89 <''/"™Ap20> 70 (''/'^°Ap20> anaérobie 85Z DBO^ 0,16kg 1 DBO/kg.J aérobie 0, ISICg/ kg.J / ni3.J 1 1 902 soit au total 98,5 Z élimination NO3 99 : 802 â 85 Z 8/ DCO 70 Z DCO , à 90 Z 90 Z (DCO sol) Production en gaz 0,7in3/kgDBO, ' 0,2 ä 0,35m3 /kg DCO êlirainéd • Teneur CI« 61 65 68 0,236ra3CH /Kg DCO introdui te 82Z CH^ 87-90 Z - Infornutions lournies dans 1'article pH fone tîonneincnc 6,8 - 7,2 MEST sortie 590 mg/I 390 mg/l 290 mg/l Problèmes de génie civil Production bnues 0,l4Kg/Kg DBO, éliminée Coût installation;?80 F/Kg DBO. éliminée ( 1900 3 2c)ÜOF en aer^tbie) Cuût d*exploiiati ou : 3U8 250 /»n contre 95b ODÜ K/an en aérobie Production de boues 0,20 à 0,25 Kg MKST/kg DCn él iniinée CoOt d ' invus ti sstjtirii t : .525 F/Kg DCO éliminéc CoCt d'exploit.it i ml : 105 JtC F/an tïi aérobie le ciiûL l'st x 3 mais les perforr.'ines sont inegales - Résultats de l'installation de Vauciennes et du pilote d ' Kscaudoeuvrcs - J . P , Lesciire a étudié en plus en laboratoire la dé­gradation anaérobie des polluants de sucrerie -
  35. 35. Origine du document L'épuration anaérohie d'effluents très chargés ; résultats d'une installation pi lote. J.P. OHBREGT P. PIPYN W. VERSTATE (26) Traitement des eaux résiduaires et fermentation méthanique. J.P LESCURE P. BOURLET (27) Traitement anaé-robie des cidras-ses sur pilote semi-industriel. Distillerie de BRECEY, étude A.F.B.S.N. Nature de l'eau iff luents d'une usine de levures et d 'enzymes Vinasses de jus de bet­teraves . cidrasses Procédé U A S B 2 étapes audogène et méthagène. 'Fermenteur central. Décanteur périphéri­que. Contact anaérobie Taille ioatallatioii 800 m^ 450 m^ de capacité utile. 20 m^ Caractéristi­ques de l*eau DCO : 5000 10 000 mg/1 DBO : 3500 6000 mg/1 DC0:18- 25 000 mg/1 0805:11- 18 000 mg/1 COT:7 - 11 000 mg/1 DC0:25 - 30 000 mg/1 DBO :15 - 20 000 mg/1 MES: 200 - 2 000 mg/1 pH 3,534,5 chargea Vol. kg/aS.J H 2,2 Mass. kg/kg.J 0,46 - 2 0,35 Rendement épuration % 80% DCO 90% DBO (après cen-trifugatior de l'efflu-ent ) 67% DCO 78% DBO 85% DCO 90% DBO Production de gaz bn^/m^ j. 0,2m/kgDOO Teneur en Cil, 75% 60% Informntiens fournies dans 1 '.ni t icic Centrifugation desboues dans le lit pouvant atteindre 30kgMVS/m3 En haut du lit, 5 à 7 kgMVS/m3 Quantification des boues méthanigènes par le .co-enzyme F 420. Résultats sur des situa­tions de stress acciden­telles. Importantes fuites de boues dans l'effluent. Acidogénèse presque achevée dès la fermenta­tion aérobie du jus de pomme donc pratiquement une seule phase : la méthanogénèse.
  36. 36. .28 -J] •J Z 'J ^ J 71 iJ 5 - 0 Í 5 s --^ c 3 • 1 " ^ 3> 1) q ^ C 3 v a. 00 1 ¿ ' 3 -) 1 3 - ^ a «J V at - u >U 11 U a B 3 o c a c u o 1.1 au u -3 Ci 0] b V 3 - Z 3 •a c li "J c c — 0 Il -3 O (U (> -t-J -t-> U Oi C »•QJ .—< <U O . _ D E E - w OJ OJ t/) [_ O O iTO ex U - OJ X O) • • •-t 3 OJ _o m </) .t^ o (u oj c ^<L> £_ 3 .r-* m 3 r—• _Q C O - ^ E 9 cJ oo oj Ê ) « jT T! *^ CD 1 2 J ' " 1 o • CD zr • - E O O <_5 CD O 1—< • rH 1 CD C • rtï LJJ O . • X <c 1 in tn -t-> (/) in w c i~ tfí u- .—) X 3 U- t4_ 3 •—1 . ^ (4- n ••-( 1 1 ro C L_ 4-1 ra o ^ 4-> Q . 4J 13 m X U ^ O) tu I CD o E l 4-> LiJ LLJ '—^ • ^ •—« C 3 rsj GO - O • - • " D O) LU t— CNJ O U - Q> E —> i-H •> t- JD 4-» ^ oj " O ro - CO re Oí " O oj —3 c _c cu u • t/) <t o - o 4-» 3C ^ 1 o o > (/) 3 o I í_ . ^ ^O) (/) - ^ [_i_i_D- t/j"^-»-' *^ *" Qj ^ D t P , — i O r — t oo 1—11/) .,_ jj o ..-» Q . QJ J-) fO j^ |_ O) _0 (/Ï ~ D OJ E dj Q _ •>-« » ^ C . 4-» ^;^ CT) ro *•—^ ^ tn , , • t_ io re " D c D 4 - > : B v a í í O , £ ) - i - LO 1 c c> X O. tz -^^ a» ij_ <u 1 .fi C E I/) c :x «<u ^ (u . o 4->rocD*4-:x4J *a>cj ffl E o <j_ CD "-< •• f 4-j u . ^ CD —^ : « --^ »—t o 1/) " O CD " O <U 3 M- *0J *.QJ 4-> 1 . ^ L 10 t _ - 0 3 - 0 C U ^ 3 - Û QC Q - O C I O E ^ 3 U - i — 1 E CD B. in n en o CO CM X - re ^^ E cr> X • ^ re 1 E SC E OÏ I O £ O o ^ C/5 o O ¡2 =- O a Sc ^ CO u, E E 1 (v, ^ i n o in C3 -«^ o ^ — - " ^ CM ^ cn ! . . CO ;» U1 3^ -SL CO -*• <n »; O lu lo —1 :» c- o L*- o (—) vftj ^ LA_ • rt nï o û- u. c o =) ra 1 1 1 n .^ OD <u o. 0) - D - o f> L. 4-1 : 3 a> •!-> m . c Oí UJ o CL 1 5r 1 c £ CJ 4j 3 o o ce QJ o «^ re LLJ _û " O . o QJ CD -D ° '- O ra " ^ LU 1— -— «rt n c^ ^ (Tt ••-" o. c • LU rg l- 3 ra •*- z _j — . ra -o <x o . c: 3 (u :=> • E cu o X a. o (u •—• ' ^ • • (_5 3 L^_ i4_ H-1 CJ) 1 — ID r^ 1 O O ro ---^ E ro . E ro ^ E (NJ O <t •—i ro en o £ U Oí <D a> • *aj - o zj - D O) CD o * ^ O" in • • O >^ o -.-< CJ ifl CD <—1 ro 4-» ro O en u ^ c CD LO 4J ro CD "-» o CO - ^ - ' O) r—t CD > O) 14- OJ J_J .rH 1 4-» «i-t • 4-> V(D 4J • O " D f-H O Ê ro •—t ro •!-« ro t/> *a> o CD *aj <u . ^ csJ í- ro cNj i_ " D c tA I 1 in oj <u ro <u ex í .—1 -o m 13 irt 4-> o o c o *<l) <U (- o 3 > .r-« .r-l o CNJ ro U 4-> ,£3 Qi • " O o c O) ro Irt i—» tfí .£3 ro c: c > • > oi • • H S o - — o c ro —« 4-> OJ t/1 /OJ O) C_ Ci- C t/) > Q j c n c 4 - > i 4 - rooj c ro " O o f<u O) <i> 3-^-1 o -D en ^ j-> ^-i i • ^ C U C - ' - f O (/)!_.—l(U 4-» 3 0 U c a > a > o o.—tto -—- ro c "-* re ro *iu " Ü U— CL •—< UJ ^ 4-» ..M 4-> . e n .„ ,_, p-j c c: re (/)-»-» cr4->,ro ai-*-ííx — <L< ro i QJ *aj -^H c DI tn o E . E rowí Ei—1 a» tn t- "••' m t . 4 - ) C L r o o . E 4 - j r e ~o < u v a a > _ c 4 _ J C X ( u c _ c • 11 E ( / > a . < u r o j - ) o j LJ '•h «X
  37. 37. .29 1.8. - ETAT ACTUEL DE LA METHANISATION 1.8.1. - LES DIFFICULTES DE BASE Dans ce paragraphe, seront abordés deux types de difficultés auxquelles l'expansion du procédé de methanisation se trouve confrontée à savoir : - les difficultés internes, c'est-à-dire afférentes aux carac­téristiques intrinsèques du procédé. - les difficultés externes, qui regroupent les problèmes que rencontre le procédé pour définir son marché potentiel. Les difficultés internes * Le démarrage de la methanisation est toujours délicat et nécessite un ensemencement. Ce système, constitué d'équi­libres biologiques est relativement sensible aux variations des différents paramètres du milieu (pH, température, acidité volatile, charge appliquée). Un bon suivi des opé­rations est donc indispensable. * Le maintien de la température au voisinage de 35°C occar sionne un coût technologique et une surveillance non négli­geable. * Le biogaz est difficilement liquéfiable et pose des problè­mes de sécurité (mélange explosif avec l'air avec 7 à l^% de méthane). Son stockage sous forme réduite est difficile. De préférence, il doit donc être consommé sur place et si possible en continu. La digestion anaérobie ne peut être appliquée que comme prétraitement. Un traitement supplémentaire est nécessai­re avant rejet de l'effluent dans le milieu naturel. Les difficultés externes On ne citera que les deux principales : * La compétition entre les filières de valorisation énergé­tique est importante. D'autres formes de valorisation que celles de la methanisation sont mieux connues et fournissent des produits à haute valeur ajoutée, (ex. aliments pour le bétail à partir des déchets des industries agro-alimentaires, compostage des ordures ménagères). * Le marché français d'épuration n'est plus porteur. Les pro­blèmes de pollution importante ont été en partie réglés de façon traditionnelle, notamment dans les industries agro-ali­mentaires. Il reste des foyers de pollution petits, difficiles et souvent saisonniers.
  38. 38. .30 Ainsi, bien que la méthanisation soit certainement porteuse d'avenir dans les industries agro-alimentaires, car les 3 avantages (énergie, dépollution et valeur fertilisante) se conjuguent facilement, celle-ci doit cependant faire ses preuves dans des conditions extérieures difficiles. 1.8.2. - LES POINTS FORTS ET LES POINTS FAIBLES D U DEVELOP-PEMENT DE LA METHANISATION Les pc oints forts /(q ui. se si.t^u en^t sans aucun d,o u^te au s^ta d.e dju laboratoire et des essais) * La maîtrise et la compréhension des mécanismes de la fer­mentation méthanique ont considérablement augmenté depuis 10 ans (ex. équipement du Professeur NYNS, Belgique, INRA, Lille, etc.. ). Il existe une démarche logique qui permet de passer du phénomène biologique mis en oeuvre aux para­mètres définissant le dimensionnement des réacteurs. * La réduction du dimensionnement et donc des coûts d'investis­sement des fermenteurs est liée à la posssibilite de travailler à des charges volumiques plus élevées à charge massique égale en concentrant la biomasse. On voit ainsi deux axes dans lesquels l'amélioration des procédés est en train d'être recherchée : - la mise au point de procédés intensifs. Le développement technologique consiste à améliorer la séparation des phases en présence eau-boue-gaz et à accumuler la biomasse dans le fermenteur. Des expériences sur pilotes ont déjà prouvé l'efficacité des procédés suivants : filtres biologiques, digesteurs à lit de boues, digesteurs à lit de faible expan­sion. Il a été ainsi obtefiu des charges volumiques voisines de 15-20 kg D C O x m x j avec des tempsde séjour hydraulique de 6 h (contre 3 à ^t kg D C O x m x j dans un digesteur classique avec un temps de séjour de 10 à 25 jours). - La mise au point de procédés rustiques ou petits fermen­teurs de campagne, de conduite simple, sur une technique continue ou discontinue avec des matériaux peu coûteux (ex. procédé P L U G - F L OW aux Etats-Unis). L'élimination des déchets de toutes natures sera le plus important, la récupération d'énergie étant secondaire, intéressante pour donner par exemple une production d'eau chaude. Il reste enfin, et ce n'est pas le moindre domaine, la moder­nisation des digesteurs existants de boues de stations d'épuration qui est techniquement possible (meilleure isolation, plus forte concentration des boues, brassage en continu).
  39. 39. .31 * L'abondante littérature technique française et internationale permet d'avoir une bonne idée du type de procédé de metha­nisation qu'il faut choisir en fonction de l'objectif principal de l'épuration (dépollution ou production d'énergie) et de la qualité du substrat en présence (DCO, teneur en MES, inhi­biteurs, etc.). Par contre, il est frappant de constater, tout au moins en France, le peu d'études pouvant confirmer la bonne valeur fertilisante des résidus de la methanisation (ceci existe pour les lisiers de porcs) ou celles visant le per­fectionnement de moteurs à gaz. * Le champ potentiel d'application de la methanisation s'est élargi. En France, la plus grande partie des déchets des industries agro-alimentaires a fait l'objet d'études de fiabilité positive sur pilote. A l'étranger, des chercheurs travaillent sur la methanisation d^effluents bruts urbains (DCO < 5 000 m g x 1 ). Des expériences sur la récupération du méthane dans les décharges d'ordures ménagères, menées en France (St Etienne) et à l'étranger (U.S.A.), ont montré la faisabilité technique de la methanisation dans ce domaine. Les _points_ faibles Les efforts doivent porter sur la mise en oeuvre technologique à l'échelle industrielle des procédés de methanisation. La faiblesse de cette mise en oeuvre réside surtout dans le manque de données réelles sur le bilan énergétique et la rentabilité financière du procédé ; les réalisations industrielles de réfé­rence ne se mettent en effet en place que très lentement. La methanisation est maintenant au stade de son développement. Il lui reste à faire ses preuves, sur le plan théorique et sur le plan de son intérêt financier effectif, en précisant les con­ditions de sa mise en oeuvre. * Le développement technologique passe par : - l'acquisition d'un tour de main technologique permettant une conduite correcte de l'installation. C e point est parti­culièrement important pour les procédés dits "intensifs". - la fabrication standard de fermenteurs, et notamment des 2 ou 3 catégories nécessaires de fermenteurs de cam­pagne rustiques, n'existe pas encore. Une installation pour traiter le fumier de kO U G B est estimée actuellement aux alentours de 150 000 Frs, ce qui représente un investis­sement de l'ordre de 15 000 Frs à 20 000 Frs T.E.P. Cette valeur peut sans doute, par effet de série, descendre autour de 10 000 Frs/T.E.P. , ce qui reste un investisse­ment très lourd. Il faut y ajouter pour certains de ces fer­menteurs, des coûts non négligeables de main d'oeuvre et de surveillance.
  40. 40. .32 * Ce développement technologique s'accompagne de conditions de mise en oeuvre à ne pas sous-estimer. - Pour les fermenteurs intensifs, le caractère souvent sai­sonnier de la production des déchets des industries agro­alimentaires fera apparaître l'investissement d'autant plus lourd ; la nécessité d'un fonctionnement fiable pour la pro­duction de gaz ne manquera pas d'induire des surcoûts d'in­vestissements et d'entretien. Il ne faut pas perdre de vue que la methanisation est la conjugaison d'un triple intérêt (dépollution, récupération d'énergie, valeur fertilisante des résidus). Chaque intérêt n'est pas à m ê m e , sauf cas exceptionnel, d'emporter la décision d'investir d'un industriel. Il faudra donc trouver chez l'industriel ou dans son voisinage la combinaison d'au moins deux d'entre ceux-ci. - Pour les fermenteurs rustiques, 3 éléments au moins sont à prendre en compte en ce qui concerne les élevages français . les tailles excessivement réduites des fermes (moyenne 15 vaches) . la nécessaire réorganisation des installations pour permet­tre le recueil de fumiers ou lisiers . l'adéquation entre la production de gaz et les besoins de l'élevage. Et donc, pour les réalisations rurales, la technologie doit être simple, efficace, adaptée à l'exploitation agricole, peu performante, mais aussi demandant peu d'investissements. * Les valeurs théoriques de bilan économique d'une installa­tion de methanisation sont souvent prometteuses, mais on doit constater qu'en général le gaz est mal ou pas du tout utilisé. Il est possible d'en expliquer les raisons, en analysant les caractéristiques et les possibilités d'utilisation du gaz de digestion (31) (32). - Le gaz de methanisation contient environ (en volume) : . 65% de méthane . 3<t% de gaz carbonique . 1% d'eau . des impuretés : Hy S, particules solides et des traces d'azote, d'ammoniac, d'oxygène. -3 3 Le PCI est voisin de 5 500 kcal x m (ou 6,4 kwh) - 1 m de gaz équivaut à 0,5 - 0,7 I de fuel.
  41. 41. .33 Plusieurs problèmes doivent être pris en compte, pour expliquer les difficultés de valorisation énergétique du biogaz : . La production de gaz n'est pas absolument régulière au cours de l'année, même dans le cas d'un approvisionne­ment apparemment régulier du digesteur, . la consommation pour le maintien en température du digesteur varie entre l'été et l'hiver, entre les jours en­soleillés et les jours pluvieux, ce qui augmente l'irrégu­larité de la production de gaz excédentaire, . le stockage du gaz coûte cher ; sa liquéfaction est très difficile, . les impuretés contenues dans le gaz peuvent s'avérer gênantes dans certains cas particuliers (corrosion). Ces problèmes expliquent le fait que la voie la plus simple et la moins coûteuse d'utilisation du gaz est celle de la pro­duction d'énergie calorifique, que ce soit dans une chaudière, un chauffe-eau ou une cuisinière. Les traitements du gaz, néces­saires à ce type d'utilisation, sont simples et peu onéreux. Les autres voies possibles, mais de réalisations plus complexes et plus onéreuses sont : . la production d'énergie mécanique ou électrique en fai­sant fonctionner des moteurs. Les investissements à consentir sont élevés et, dans la situation actuelle, on peut dire que le bilan économique est nettement positif seulement si la mise en oeuvre de la méthanisation est de toute façon nécessaire pour l'épuration. Le bilan économique est moins intéressant et à la limite de la rentabilité pour l'exploitant, si la méthanisation est développée exclusivement pour produire de l'énergie. . la licjuéfaction par lavage du gaz, compression à 250 bars et decompression. Le gaz liquéfié pourrait alors être utilisé pour les voitures (prix de revient de ce gaz - prix de revient du gaz pétrole liquéfié). . la purification du gaz par un traitement poussé (et donc coûteux) dans le cas d'un raccordement à un réseau général de distribution de gaz. Un effort important doit être fait pour la mise en place d'installations de valorisation énergétique du gaz de digestion. Des progrès technologiques sont nécessaires pour abaisser le coût des installations et surtout diminuer les coûts de main­tenance.
  42. 42. .34 Il est évident que, dans le cas de la valorisation énergétique du gaz, une amélioration des techniques, une commercialisa­tion et une diminution du coût d'investissement et de fonction­nement des instruments, entraînerait un élargissement des appli­cations possibles de la methanisation. l./t.3. - SITUATION DE LA F R A N CE Sur le plan international, la France est loin d'être mal placée dans sa connaissance des procédés de methanisation au niveau de la recherche fondamentale (10 ans d'expérience). Elle l'est déjà moins pour l'effort de développement industriel qui est cependant en cours depuis peu. De plus, il manque, hormis Achères, de grandes realisations de methanisation. Cependant, on doit se garder d'attendre de la methanisation dans le contexte français, le potentiel énergétique considérable qu'on lui a souvent prêté (environ 10 millions de TEP/AN). Le champ d'application est très ouvert et tout en gardant présent à l'esprit que chaque cas est un cas particulier, le développement de la methanisation le plus important en France ne sera pas forcément là où on le croit. La methanisation des déchets urbains sous leurs différentes formes récèle des possibilités très insuffisamment explorées. La methanisation des rejets liquides des industries agro-alimen­taires est à moyen terme prometteuse d'avenir si les premières réalisations françaises ne tardent pas trop, ce qui, à défaut de l'effet d'entraînement recherché, doit servir au minimum de référence aux constructeurs français pour l'exportation où se situe un marché important. On doit mettre en garde les éle­veurs sur le seuil de rentabilité théorique souvent annoncé (25-30 unités, gros bétails) des installations de methanisation de déjection animale. Enfin, il ne faut pas sous-estimer le développement possible sur l'industrie pharmaceutique et chi­mique (voire pétrochimique) sans parler de la methanisation de plantes aquatiques qui a maintenant démontré ses possi­bilités.
  43. 43. ? 2. Dévebppement du projet d'un pilote de mélhanisation pour la plate-forme d'essais de Colombes (septembre 81-juin 82)
  44. 44. .35 2.1.- OBJECTIFS DE LA PLATE-FORME D'ESSAIS DE COLOMBES L'Agence Financière de Bassin "Seine-Normandie" a lancé en 3uin 81, un programme de développement des procédés anaérobies intensifs. C e programme est réalisé par les centres de recherche de D E G R E M O N T et O . T . V . ainsi que par la Plate-Forme d'Essais de Colombes qui a de plus la charge d'en coordonner et d'en animer le déroulement. L'intérêt actuel pour les procédés de traitement anaérobie nécessite de la part de l'Agence, l'acquisition d'un savoir-faire et la connais­sance des conditions de fonctionnement de ce type de traitement. Les deux objectifs visés par essais réalisés à la Plate-Forme sont donc : 1) l'acquisition et la mise au point d'un pilote pouvant servir le cas échéant, à des études d'application sur des sites d'interven­tion, 2) l'équipement du pilote par un m a x i m u m de capteurs, en vue de tester le fonctionnement de ce matériel en continu, et de suivre en continu les principaux paramètres caractéristiques de la méthanisation. Ces paramètres sont encore mal appréhendés et de leur connaissance dépend la maîtrise de la fermentation. Les stocker sur cassettes semblait aussi intéressant, en vue d'une exploitation ultérieure des résultats. Ces objectifs sont conditionnés par le respect des règles suivantes : - la vocation de la Plate-Forme n'est pas de faire de la recherche fondamentale, ni d'innover, mais de permettre l'application en industrie, et avec du matériel fiable, des procédés anaérobies. - les problèmes spécifiques d'élimination de pollution pouvant être résolus par la méthanisation portent surtout sur les effluents d'indus­tries agro-alimentaires. En conséquence, il a été décidé que le pilote serait en mesure de traiter des liquides chargés. - l'Agence de Bassin a un rôle d'interlocuteur auprès des industries concernés par ce procédé de traitement des rejets. Elle doit les inciter à effectuer des études dont le but est de tester le bien-fondé de l'opération et la fiabilité du matériel. Or, il faut remarquer que l'industriel s'intéressera à des procédés de traitement relati­vement autonomes et nécessitant peu d'interventions. Dans le cas de démonstrations sur le terrain, le pilote, pour être "attrayant", devra être le plus autonome possible.
  45. 45. .36 2.2. - ORIENTATIONS DU PROJET, APRES UNE SYNTHESE BIBLIOGRA­PHIQUE APPROFONDIE ET COMPTE TENU DES OBJECTIFS DE LA PLATE-FORME DE COLOMBES 2.2.1. - CHOIX DU PROCEDE DE METHANISATION Le choix d'un procédé de méthanisation est fonction de la nature du substrat à traiter (DCO,. MES), des possibilités d'in­vestissement dans des procédés plus ou moins complexes et onéreux, de l'utilisation du digesteur en laboratoire ou l'échelle industrielle (cf. 1.3.) L'eifluent a traiter Un des objectifs de la Plate-Forme est d'utiliser le pilote sur le terrain, dans le cas d'études de faisabilité technique et économique de l'anaérobie pour des foyers spécifiques de pollution. Ces foyers concernent surtout les effluents très concentrés en matière organique d'industries agro-alimentaires. Le pilote doit pouvoir digérer différents liquides chargés ; le substrat n'est pas à priori déterminé. Ce point est essentiel. En effet, la demarche logique et d'ordinaire suivie, pour choisir un système de méthanisation est de se référer aux cc^a^'^té-ristiques du substrat (cf. 1.3.) Nous nous trouvons donc devant un cas particulier de concep­tion de fermenteur : celui-ci doit être adaptable au substrat. La solution requise est de concevoir un pilote non figé dans sa construction , c'est-à-dire composé d'éléments et donc transformable. Les fins du digesteur La vocation de la Plate-Forme n'est pas de faire de la recher­che fondamentale sur la méthanisation. Or, nous avons vu au paragraphe 1.3.'que certains procédés sont encore au stade du laboratoire et présentent une assez grande complexité dans leur mise en oeuvre. Malgré l'attrait que présentent ces procédés (lit fluidisé, lit de boues) dans le futur, il ne semble pas raisonnable d'engager la Plate-Forme dans ces nouvelles filières de traitement anaérobie. C'est pourquoi, il sera choisi des procédés de biométhanisation testés au stade industriel et de conduite relativement facile.
  46. 46. .37 R^ésolution des données et_cho_ix__du procédé de méthanisation Le pilote pourra travailler suivant deux systèmes de méthani­sation ; il sera transformable. Le choix du système dépendra des caractéristiques (DCO, MES) des eaux (l'importance de ces deux paramètres est soulignée constamment au paragraphe 1.3). Ainsi, une g a m m e assez large de substrats pourra être traitée. Les deux systèmes choisis sont classiques et bien connus :. - procédé contact anaérobie pour traiter des liquides de concentration moyenne et pouvant contenir des matières en suspension - filtre anaérobie pour traiter des effluents dilués et peu chargés en matières en suspension. Pour plonger quelque peu dans les idées nouvelles sur la con­ception des fermenteurs et ne pas tomber dans la monotonie des sytèmes classiques, les deux systèmes choisis ont subi des petites variations : - l'alimentation du digesteur contact se fera par le bas, pour créer si possible un lit de boues et concentrer la biomasse dans le fermenteur, - pour le filtre, l'alimentation en eau résiduaire se fera par le haut et le support sera tubulaire. C e type de réacteur est étudié actuellement par L . V A N D E N B E R G . Cette orientation m ' a été conseillée par G . A L B A G N A C (I.N.R.A. Lille). 2.2.2. - EQUIPEMENT D U R E A C T E UR Dans les pages précédentes, nous avons assimilé le pilote à la cuve où se fait la réaction de méthanisation. On parle de réac­teur, de fermenteur, de digesteur. Ont été abordes les choix du digesteur et du décanteur. Mais, il faut bien se rendre compte que le fonctionnement du pilote nécessite tout un équipement complémentaire au digesteur, et ceci du fait que le pilote doit être autonome. Le pilote n'est donc plus une cuve, mais une installation complete de traitement anaérobie. Le tableau 3 (page 38 ) présente l'équipement du réacteur (matériels de fonctionnement, de mesure, d'enregistrement et de stockage des données). 2.2.3. - DIMENSIONNEMENT DE L'INSTALLATION PILOTE DE METHANISATION La démarche suivie pour dimensionner l'installation est exposée, de façon concise dans le tableau'^t (page 39). 2.2.Í*. - S C H E M A S D E L'INSTALLATION PILOTE (pg.ges i^O et f 1) La mise en place de ces schémas découle des considérations de l'ensemble du paragraphe 2.2.
  47. 47. . 38 TABLEAU 3 : EQUIPEMENT DU REACTEUR 1/ MATERIEL DE FONCTIONNEMENT . ORGANE DE CHAUFFAGE • SYSTEME D'AGITATION . MATERIEL POUR LE PRETRAITEMENT DU SUBSTRAT. . POMPES 2/ MATERIEL DE MESURE 3/ MATERIEL D'ENREGISTREMENT ET DE STOCKAGE DES DONNEES FONCTION Répondre à certaines règles de conduite de la ferpienta-tion aéthanique, à savoir : Le maintien de la tempéra­ture du digesteur au voisi­nage de 35"C. ( Le système de chauffage est prévu pour chauffer le liquide d'alimentation et pour compenser les pertes thermiques à travers les parois de la cuve. ) . Mélanger le substrat et la masse bactérienne. . Alimenter le réacteur avec des liquides dont les carac­téristiques sont compatibles avec un traitement par voie anaérobie. ( pH voisin de la neutralité, rapport C/N/P de l'ordre de 150/5/1,... ) . Apprécier le bon fonction­nement du digesteur et détec­ter, le cas échéant, un désé­quilibre de la fermentation. , Suivre en continu le maxi­mum de paramètres de contrôle de la digestion et tester le fonctionnement en continu des appareils de mesures correspondants. . Suivre en continu les résul­tats sur le terrain etstocker les données fournies par les capteurs, en vue d'un traite­ment ultérieur des résultats. LES DIFFERENTS MATERIELS POSSIBLES ET LEURS CARACTERISTIQUES . Réacteur dans un bain-marie . Résistance chauffante rais problèmes dus à 1'encrassement. . Agitation par recircu­lation du gaz produit au moyen d'un compresseur(34) .Agitation par recircu­lation de la masse en fermentation. . Agitation par recircu­lation des boues décantées. . Agitation mécanique. . Choix asse< restreint de capteurs, du fait du problème de la fiabilité de ces appareils en épu­ration DESCRIPTION DU MATERIEL CHOISI . Le digesteur conporte une double paroi, dans laquelle circule de l'eau chaude. Le circuit de chauffage comprend une régulation de température. . Recirculation, au moyen d'un compresseur, du gaz produit, préalablement col­lecté et stocké dans un gazomètre. ( système pouvant aussi servir à dêcolmater le filtre ). . Recircultation de la masse en fermentation et des boues du décanteur. . Cuve de prétraitement des eaux d'alimentation, compre-un système d'agitation, une régulation de pH, un systè­me d'ajout de nutrients (N-P) . Cuves de stockage pour le réactif alcalin et pour les nutrients. . Poste de prétraitement, automatisé, en vue de l'auto­nomie du système. . Sonde de température . ph mètre, RH mètre . Compteur volumétrique pour mesurer le débit de gaz . Analyseur de la composition du gaz. Sont encore à l'étude : . Chromatographe pour doser les A.G.V . D.C.O mètre. . Enregistreur papier de terrain. . Stockage sur cassettes + ordinateur.
  48. 48. 39 TABLEAU I* : OIMENSIONNEHENT ET PARAMETRES DE CONDUITE DE L'INSTALLATION DE TRAITEMENT ANAEROBIE LES DONNEES : LES CRITERES DE FONCTIONNEMENT: . V réacteur = 1 a^ ( obtenus à partir des résultats d'installations ( l'A.F.B.S.N désirait un pilote semi connues - cf. 17 ) industriel.) . Ca : 0,2-0,5 kg DCO X kg" X j "^ ( 350C ) . D.C.O eaux aliaentation » . Cv : 2-10 kg DCO x »-H j-^ 2.000 - 10.000 ag Oox 1 „_ ,., . , , ,, . ^„ . . ... , . .90% d'épuration sur la DCO soluble ( fourchette de O.C.O des rejets d'industries . y = 0,5 a3 gaz X kg-1 DCO détruite agro-aliaentaires traitables par voie ' ' , -• 1.. /,, . Vitesse ascentionnelle v = 0,1 - 0,7 a x h-^ anaeroDie (ÍJ) . H utile du réacteur Hu = 1,5 a ( hauteur nécessaire dans le cas du procédé filtre (11) (35) (36) . Pression à la base du pilote 1,15 ata. DIMENSIONS ET PARAMETRES DE CONDUITE DES DIFFERENTS POSTES DE L'INSTALLATION N.B: Les valeurs de la D.C.O de l'aliaentation de certains critères de diaensionneaent sont coaprises de façon approxiaative dans une fourchette. Or, l'installation de aéthanisation doit fonctionner dans tous les cas de valeurs possibles, aSae liaites. Il est donc nécessaire de fonder les calculs qui vont suivre sur les valeurs extrêaes des fourchettes, bien que cela puisse induire un surdiaensionneaent du pilote. 1/ LE DIGESTEUR ET SON ALIMENTATION . Le réacteur ( cuve cylindrique ) . L'aliaentation du réacteur 2/ LE DECANTEUR 3/ LE POSTE DE PRETRAITEMENT . Neutralisation de l'effluent par btchées. 4/ LES SYSTEMES D'AGITATION . Agitation par recirculation de la Basse du digesteur et des boues du décanteur . Agitation par recirculation du gaz produit. 5/ LE POSTE DE CHAUFFAGE . R81e : Chauffer la charge (ou aliaentation)etcoapenser les pertes theraiques à travers les parois du digesteur (34) GRANDEUR GEOMETRIQUE Diaaètre intérieur ( d, a ) Surface { S =Trd2,B2 ) Hauteur utile ( Hu , a ) Voluae utile (Vu - Hu "TT ¿2, B3 ) Débit ( Q . Cv X Vu 3 _^i) DCO alia. "' Surface ( S avec _ 4r t • ) S Hauteur totale(B) Voluae (a^) Inclinaison du fond (") Voluae du bac de aaturation de l'effluent (1.) Débit d'alimentation du bac de aaturation en eaux chargées ( a^x h~M Teaps de rétention ainiaua de l'effluent dans le bac de aaturation (h) Voluae des bacs de stockage du réactif alcalin et des nutrients (1) Débit de recirculation Débit de production de gaz : Q - Y X 90« X Cu X Vu, a3x j-1) Voluae de la cuve de stockage du gaz (a^) Pression d'injection du gaza la base du Pilote (ata) Energie calorifique à fournir pour le chauffage de la charge ( kgJ x j-1 ) avec une teapérature de la charge de l'ordre de 15<'C ) Pertes theraiques à travers les parois du digesteur(%) Energie calorifique totale consoaaée (kg xj-1 ) (avec un débit d'aliaentation de 6 B3 x j~l) Puissance de chauffage (kH) ( les calculs ne font pas intervenir un coefficient d'échange theraique) VALEUR 1 0,79 1,5 1,18 2,4 10"^ - 5,9 0,78 2 1,1 60 1.500 5 6 500 à voir selon le fonctionneaent du pilote. 1 - 5 1 2 502.320 10 6 10^ 7
  49. 49. I tXl ®: '^.Vf NT B4C TAMPON NF.IJTRALISAnON V ;IÇOOI -ÎXh ^ du 'rocitr Duisa/x:* = S hw 1 , chauf'nae flKtriour }•' -ijj »E5ERV0IR OEAU CHAUCE _ _ . ^ Í A 1 | '"A'TÇi eovíHoppe c^aufTonf* pomp» d* fíCircUfrtion drs bours PILOTE ANAEROBIE-PROCEDE LIT FIXE SCHEMA DE PRINCIPE o
  50. 50. Gaz loaJ RE5£P"iOR OEAU CHALCe rfc« M,i M,0 ^ - ( M m - corfinj) ! I »-I H RH ni conti™ »^^^ ÜT^ (a««c svst^nw dt n«aaM9« d*« cop(*uri) REACTEUR ANAEROBlE « =1,00 m V = I.ZJTT" 1,5 m ^ . RíOT-iJution (iu qaz BAC TAMPON NE'J'^ALISATIOH V = ;ÇCOI PILOTE ANAERGBIE-PROCEDE CONTACT SCHEMA OE PRINCIPE '"UVE OF '•jT'^CKAGF DU "-Ai V - 1 „1 i -ÍX] J EAii rRA¡"^f;
  51. 51. Ml 2.3. - PROSPECTION ET CHOIX D U MATERIEL La démarche suivie a comporté plusieurs points : - une analyse approfondie des caractéristiques du matériel requis ; - un inventaire des possibilités offertes sur le marché ; - le contact avec les technico-commerciaux des sociétés four­nissant le matériel recherché avec, pour chaque matériel, la récep­tion d'une ou plusieurs propositions (ou devis) ; - une réflexion sur les avantages, les inconvénients, le rapport qualité/prix de chaque matériel, ainsi que la comparaison de propositions visant le même appareil ; - le choix définitif. Le tableau 5 (page 't3)dresse la liste des différents matériels de l'installation de traitement anaérobie.
  52. 52. 43 TABLEAU 5 : PROPOSITION ET CHOIX DES MATERIELS DE L'INSTALLATION DE TRAITEMENT ANAEROBIE 1/ LE GROS OEUVRE . Hoaogénéité de l'ins­tallation de traite- •ent anaérobie > avoir recours à une seule société pour le gros oeuvre. . Automatiser au •axinun l'installation pour permettre une relative autonomie du pilote. REACTEUR ANAEROBIE DECANTEUR DEGAZEUR GAZOMETRE MATERIEL POUR LE PRE­TRAITEMENT DE L'EFFLUENT MATERIELS DIVERS HEURES DE TRAVAIL . ENSEMBLE DES POMPES COMPRESSEUR POSTE STABILISATEUR DE TEMPERATURE Caractéristiques du matériel requis Possibilités offertes sur le marché Description du matériel choisi . 0 Im, H. 1,75m, modulaire, en PVC, calorifugeage Double enveloppe pour circulation d'eau chaude, température max. TO^C. . 0 Im, en PVC transparent . En PVC transparent . Volume : 1 m^ . Cuves, pompes doseuses, automatisme de prétraitement. . Tuyauteries, armoire électrique . Montage de l'ensemble du Pilote Pompes d'alimentation du rêacteur,de recirculatim Pompes péristaltiques pour le circuit de la mesure du pH Compresseur/pompe à vide à membrane pour la circulation du gaz. P = 8 kH, avec régulation de température Fournisseur SOCIETE S.A.P.S BARRIER DELASCO KURT NEUBERGER FRANCE PARMILLEUX 2/ CAPTEURS Capteurs pouvant travailler, en continu sur des eaux chargées. Gamme très réduite d'appareils de mesure pouvant fonctionner en continu sur des eaux chargées. ( problèmes d'encrassement, quasi-inexistance de systèmes d'auto-nettoyage ) (38) . Coût élevé de ce type de matériel SONDE DE TEMPERATURE PH HETRE ET RH METRE. CAPTEUR POUR MESURER LE DEBIT DE GAZ CAPTEUR POUR L'ANALYSE DU GAZ. CAPTEUR POUR LA MESURE DES A.G.V D.C.O. METRE DEBIT METRES . Système d'auto-nettoyage indispensable Pas de problème d'encrassement; la sonde n'est pas en contact directement avec la liqueur de digestion mais dans un "doigt de gant" externe. . Nettoyage des électrodes par brosse ( à pros­crire : altération possible de la surface de verre de l'électrode de pH, en raison de la pré­sence de M.E.S abrasives ) . Autonettoyage par ultrasons ( coût élevé ) Mesurer des faibles valeurs du débit ( 200 1/h ) Compteur volunétrique d'expérience. Connaître la composition du gaz ( CH 4, CO 2, H 2, N 2 ... ) La méthode de préparation des A.G.V doit être simple. On désire pouvoir distinguer les diffé­rents A.G.V. Une mesure en continu serait souhaitable. . Analyseur infra-rouge ( de maniement simple mais ne donne la composition du gaz Qu'en CO 2 et CH 4 ) . Chromatographe en phase gazeuse ( Conseillé par Mrs DI BENEDETTO et MARCHAND (39) . Chromatographe en phase gazeuse. Il semble difficile de pouvoir mesurer les A.G.Ven'continu Vérifier périodiquement le débit des pompes. Le coût de ce matériel ne doit pas être élevé Elément Pt 100, transmetteur et régulateur Nettoyage des capteurs par ultra-sons Compteur hydraulique type 1 dm^ Enregistrement en continu du débit en position­nant une cellule de lecture électronique sur le cadran du compteur. Chromatographe type IGC 10 H ( catharomètre ) avec injection automatique des gaz. Une analyse demande quelques minutes. Projet encore à l'étude en Juillet 82. Projet encore à l'étude en 82. Gyromètres PHILIPS SCHLUMBERGER INTERSMAT GEMU 3/ MATERIEL D'ENREGISTREMENT ET DE STOCKAGE DES DONNEES. ENREGISTREUR SUR PAPIER ENREGISTREUR-INTE-GRATEUR- CALCULATEUR CHAINE D'ACQUI­SITION DES DONNEES ORDINATEUR . Matériel de terrain . Les paramètres de la digestion ayant une évo­lution lente, l'enregistrement par pointés suffit Enregistreur à pointés a moteur linéaire type PN 100 M V Format 144X144 Enregistreur à 6 couleurs et 3 gammes. . Dépouiller les résultats en provenance du chromatographe. Type I.C.R. 1 -B . Stocker les données en vue d'une exploitation ultérieure des résultats. Chaîne T.A.D 840 B , panier précâblé 16 voies Enregistreur T.A.D 940 E Traiter directement les résultats et contrSler la fermentation. Microordinateur 64 K octets Projet encore à l'étude en juillet 82 CE.M INTERSMAT T.A.D FONTAINE INFORMATIQUE
  53. 53. I p I Conclusion
  54. 54. .4¿f CONCLUSION Le pilote, décrit dans cette étude, sera terminé au mois de Février 83, et fera l'objet d'essais à la Plate-Forme de Colombes. Doté de capteurs, d'appa­reils d'enregistrement et d'un équipement assez complet pour permettre une relative autonomie de son fonctionnement, il sera un outil précieux pour confirmer expérimentalement les potentialités et les modalités d'application des procédés de méthanisation et permettre une meilleure conduite des digesteurs. Les premiers essais mis en oeuvre avec cet appareil auront un triple objectif : - tester le fonctionnement en continu d'appareils de mesure des prin­cipaux paramètres caractéristiques de la méthanisation, - acquérir un savoir-faire sur une technique d'épuration nouvelle, - stocker le maximum de résultats, en vue de leur exploitation ulté­rieure. Ce troisième objectif s'est précisé à la suite de rencontres avec M . A L B A G N A C , Directeur de la Station de Technologie Alimentaire. LN.R.A.Lille, et M . POVY, Professeur à l'unité d'automatisme de l'Université des Sciences et Techniques de Lille. Ces personnes désiraient travailler sur la détermination éventuelle d'un modèle mathématique du processus de méthanisation. La sophistication du pilote mis en place par l'Agence (plus précisément son équipement en appareils de mesure, d'enregistrement et de stockage des données) peut être un atout pour la vérification et l'adaptation de ce modèle. Des contacts ont donc été établis avec Lille. M . A L B A G N A C , dont le Laboratoire en matière de méthanisation est de compétence reconnue, a accepté d'aider l'Agence de Bassin dans la conduite d'un digesteur anaérobie. Ces axes du programme d'essais orientent, dansses débuts tout au moins, l'utilisation du pilote vers une recherche de type laboratoire, à la Plate- Forme de Colombes et non sur des sites d'application. Compte tenu de l'objectif, les expériences de méthanisation se feront dans les conditions suivantes : - l'effluent à traiter sera de composition connue et stable, adapté au traitement dans un filtre. Ainsi les problèmes de démarrage et de conduite de la fermentation méthanique, dûs au substrat, seront limités au maximum. De plus, la méthanisation de ce type d'effluent aura déjà fait l'objet de publications : il sera possible de faire la corrélation entre les résultats obtenus et les résultats de la lit­térature. - le procédé de méthanisation choisi sera le filtre. Sa mise en oeuvre présente un peu d'originalité, du fait des quelques variantes dans sa conception (alimentation par le haut, materiel de remplissage tubu-laire). Le matériau de fixation de la biomasse pourra être le cloisonyle, garnissage plastique formé de tubes cloisonnés en PVC. (40)

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