La Méthanisation Sommaire Définition de la Méthanisation Contribution de la méthanisation au développement durable Principe biologique Paramètres clés de la méthanisation Ressources potentielles Prétraitements Procédés industriels Définition de la Méthanisation La digestion anaérobie ou méthanisation est un processus biologique naturel de transformation de la matière organique carbonée en biogaz. Cette décomposition des matières organiques est réalisée en absence d'air et de lumière dans des cuves fermées en milieu liquide ou sec. Le biogaz produit est composé majoritairement de méthane (CH4), de dioxyde de carbone (CO2) et d eau (H2O). On trouve aussi sous forme de traces de l azote (N2), de l hydrogène sulfuré (H2S) et de l ammoniac (NH3). La digestion anaérobie est utilisée comme procédé de traitement des déchets et de production d une énergie propre et renouvelable grâce à la combustion du biogaz. Contribution de la méthanisation au développement durable Grâce au traitement des déchets et à la production d'énergies renouvelables, la méthanisation s'intègre dans un cercle vertueux du développement durable. Les déchets urbains (boues d épuration et ordures ménagères), déchets d élevages et agricoles et déchets industriels traités par méthanisation produisent une énergie renouvelable sous forme de biogaz pouvant être transformé en chaleur, électricité et carburant pour véhicules, ainsi qu'un amendement agricole de grande qualité. Principe biologique Au cours de la digestion anaérobie, différentes flores bactériennes et métabolismes biologiques sont mis en jeu. Le processus de transformation de la matière carbonée en biogaz peut être décrit en quatre grandes phases : Un film d'animation disponible sur internet permet de comprendre le processus de manière ludique. Paramètres clés de la méthanisation
Bien que naturel, le phénomène de méthanisation requiert quelques attentions au quotidien. Afin d assurer une activité optimale de la méthanisation, différents paramètres doivent être contrôlés. Température Dans les procédés industriels classiques, deux plages de températures sont communément utilisées : la plage mésophile entre 30 C et 40 C, et la plage thermophile entre 50 C et 60 C. Comparativement aux systèmes mésophiles, les systèmes thermophiles traitent des charges organiques plus importantes grâce à la croissance plus rapide des microorganismes mais sont généralement plus instables et plus sensibles aux modifications extérieures. La grande majorité des systèmes industriels travaillent en régime mésophile. ph Les bactéries anaérobies et notamment les bactéries méthanogènes sont sensibles aux variations de ph. Le ph optimal du processus de méthanisation se situe entre 6,5 à 7,5. L accumulation d acides gras volatils lors d une surcharge du méthaniseur entraîne une chute rapide du ph à des valeurs inférieures à 5,0 ce qui entraîne une inhibition du processus de méthanisation. Des valeurs de ph supérieures à 7,5 induites notamment par l accumulation d ammoniac entraînent une inhibition microbienne et des risques de précipitation de composés minéraux et donc de prise en masse de l intérieur du réacteur biologique. Sur certaines unités de méthanisation une régulation du ph à base de soude peut-être mise en place. Taux de charge organique On distingue deux types de charge : - la charge volumique appliquée (CVA) qui correspond à la quantité quotidienne de matières organiques introduites par unité de volume du réacteur biologique. Les unités généralement utilisées sont des kgmo/m3.j (MO : Matière Organique) dans les domaines de l agriculture et des collectivités, ou des kgdco/m3.j (DCO : Demande Chimique en Oxygène) dans le domaine de l agro-industrie. - La charge massique appliquée (CMA) qui correspond à la quantité quotidienne de matières organiques introduites par quantité de biomasse présente dans le digesteur (kgdco/kgmvs.j). Un taux de charge trop élevé peut amener à l'arrêt de la digestion anaérobie due à une présence trop importante d'acides gras. Les Nutriments
Pour croître dans des conditions optimales, les bactéries anaérobies ont besoin de macronutriments comme l azote et le phosphore. Le ratio optimal C/N/P est estimé à 100/5/1. Des éléments minéraux sont aussi nécessaires, tels que le potassium, le calcium, le fer, le cuivre, le nickel, le cobalt, etc. La composition de ces macronutriments et oligo-éléments doit être régulièrement contrôlée. Composition de la matière et matière volatile La matière solide traitée contient une fraction organique, une fraction combustible et une fraction inerte. La fraction combustible contient par exemple de la lignine, très lentement biodégradable. La fraction inerte est composée de verre, sable, métaux... Il est souhaitable que ces deux composantes de la matière ne soient pas introduites en quantité trop importante afin de ne pas augmenter inutilement le volume du méthaniseur. Mixage L'objectif du mixage est dans un digesteur est de mélanger la matière fraîche entrante avec du digestat contenant des bactéries. De plus le mixage empêche la formation d'une croute et évite les gradients de température. Néanmoins un mixage excessif peut rompre les colonies bactériennes, c'est pourquoi un mixage lent est préférable. Inhibiteurs de la méthanisation Certains composés présents en trop fortes quantités peuvent inhiber le processus de digestion anaérobie comme l oxygène, l ammoniac, le chlorure de sodium, le cuivre, le chrome, le nickel, etc. Autres paramètres Débit et composition du biogaz, H2 dissous, compétition bactérienne, etc. Ressources potentielles Le tableau suivant présente selon trois grandes filières les gisements de matières organiques pouvant être valorisés par méthanisation. Agriculture Industrie agro-alimentaire Municipalités Lisiers et fumiers Déchets de cultures
Cultures énergétiques dédiées Eaux usées Boues de station Déchets issus du process de transformation Boues de station Fraction organique des déchets municipaux Déchets verts Prétraitements De manière à permettre une meilleure assimilation par les micro-organismes, certains prétraitements sont souvent nécessaires tels que: - Tri - Broyage - Prétraitement thermique - Prétraitement chimique - Homogénéisation Procédés industriels Tous les digesteurs anaérobies sont des combinaisons de deux réacteurs modèles limites qui sont le réacteur parfaitement agité et le réacteur piston. Dans le réacteur parfaitement agité, les particules ont toutes des concentrations identiques en tous points du réacteur. Dans le réacteur piston, les particules entrant au même moment avancent à la même vitesse dans le réacteur et sortent simultanément. De nombreux types de réacteur biologiques existent, parmi lesquels le choix doit être réalisé en fonction du type de déchets à traiter. Liste des procédés les plus courants : - Réacteur infiniment mélangé : L intérieur du méthaniseur est brassé en permanence soit par agitation mécanique et/ou recirculation du digestat ou du biogaz produit. - Contact anaérobie : Ce procédé associe un réacteur infiniment mélangé et un décanteur. Les boues décantées sont réinjectées dans le réacteur. - Bioréacteur à membrane : Ce procédé associe un réacteur infiniment mélangé ou un filtre anaérobie et une unité de filtration interne ou externe. - Batch : Procédé où toutes les étapes de la dégradation sont réalisées dans la même enceinte.
- Lit de boue : (UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket) : Procédé dans lequel le flux ascendant met en suspension un lit de boues granuleuses. - Lit fluidisé : Procédé dans lequel la biomasse colonise sous forme de biofilm un support mobile. - Piston : Réacteur dans lequel, toutes les particules avancent à la même vitesse. Deux types de piston existent: horizontal et vertical. L agitation est assurée par un brassage mécanique et/ou une recirculation sous pression du biogaz produit. Un premier tri des procédés peut être réalisé en fonction de leur adéquation au gisement de matières organiques, que celui-ci soit de type collectivités, agricole ou industriel. Les procédés présentés ci-dessous sont des procédés dits «intensifs» car ils ont pour objet de maintenir dans le réacteur des concentrations élevées en microorganismes et donc de réduire les volumes d ouvrages. Matières organiques issues des Collectivités Les sources principales de déchets issues des collectivités sont les boues de station d épuration et la fraction organique des ordures ménagères. Les déchets verts seront plutôt traités avec des technologies agricoles. Réacteur infiniment mélangé Les boues liquides sont généralement traitées dans des réacteurs parfaitement agités. L agitation à l intérieur du méthaniseur peut se faire mécaniquement via la rotation d hélices, par recirculation des boues ou par injection sous pression du biogaz produit. Avantages : Ce procédé est adapté aux effluents riches en matières en suspension (> 10 g/l) Inconvénients : Les charges amissibles sont faibles et inférieures à 2 kgmo/m3.j. Réacteur piston Le réacteur piston permet l utilisation de substrats «secs». Ce type de procédé peut accepter des siccités allant de 20 à 40%. Les charges admissibles sont de 8 à 10 kgmo.m3.j. Le réacteur piston vertical est généralement utilisé pour le traitement de la fraction organique des ordures ménagères. L agitation au sein du réacteur est assurée par la recirculation sous pression du biogaz produit. Avantages : Ce procédé permet l utilisation du substrat brut sans ajout d eau. Inconvénients : L homogénéité au sein du méthaniseur est souvent difficile à obtenir. Présence d un gradient important de température au sein du méthaniseur. Matières organiques issues de l'agriculture Selon la siccité des substrats à traiter en méthanisation, différentes technologies peuvent être utilisées.
Pour des effluents «liquides» avec une siccité n excédant pas 15-20%, la technologie du réacteur infiniment mélangé est adaptée. Pour des déchets «secs» avec une siccité comprise entre 20 et 40%, la technologie du piston sec est adaptée. Pour des déchets avec une siccité supérieure à 40%, la technologie du batch à percolation peut être utilisée. Déchets liquides (< 15-20%) : Ce procédé fonctionne avec des déchets liquides sur la base du réacteur infiniment mélangé. La cuve du méthaniseur est construite sur une base béton équipée d un pilier central. Sur ce pilier repose un plancher bois servant d isolant thermique et aussi de support à une bâche souple étanche au biogaz. Cette bâche souple sert de volume tampon pour le stockage du biogaz produit. Le sommet de la cuve est recouvert d une couverture semi-rigide afin de protéger la bâche souple des agressions extérieures (intempéries, UV, etc.) Le chauffage du méthaniseur est assuré par un circuit de tuyau dans lequel circule de l eau chaude. Avantages : - Technologie éprouvée dans le monde agricole notamment en Allemagne, - Manutention des substrats réduite, - Fonctionnement en continu, - Maîtrise des conditions optimales de méthanisation (température, ph, homogénéité). Inconvénients : - L efficacité du brassage influe sur les performances épuratoires et s'il est insuffisant, l évacuation du biogaz produit peut être empêchée par la formation d une croûte. - Investissement important pour de petites unités, - Besoin d incorporation ou de recirculation d eau si le substrat n est pas assez liquide. Déchets secs (20 à 40%) : Le substrat qui entre dans le réacteur piston pousse le substrat déjà présent ce qui assure une avancée régulière de la matière tout au long du réacteur. L agitation des résidus «secs» est assurée par la rotation d un axe longitudinal équipé de pales.
Avantages : - Ce procédé permet l utilisation du substrat brut sans ajout d eau, - Fonctionnement en continu. Inconvénients : - L homogénéité au sein du méthaniseur est souvent difficile à obtenir, - Présence d un gradient important de température au sein du méthaniseur. Déchets secs (> 40%) : Le digesteur batch est rempli au fur et à mesure de la production de déchets puis fermé une fois plein. Les déchets solides sont aspergés avec un percolat chauffé riche en microorganismes qui sert d inoculum pour l ensemencement. Une fois la méthanisation terminée (plusieurs semaines), le digestat est extrait en une seule fois. Ce type de système nécessite la mise en place de plusieurs méthaniseurs en parallèle afin d obtenir un traitement régulier du substrat et une production stable de biogaz. Avantages : - Technologie simple d utilisation, - Volume de cuverie et consommation d eau réduits, - Possibilité d auto construction, - Investissement peu élevé. Inconvénients: - Difficultés d obtention d une étanchéité parfaite au biogaz, - Manutention importante due aux remplissages et vidanges manuels successifs des digesteurs, - Problèmes d homogénéité de la température et de la répartition de la flore bactérienne. Matières organiques issues de l industrie agro-alimentaire: Différentes technologies peuvent être choisies en fonction de la teneur en MES de l effluent à traiter: - le lit fluidisé;
- de nombreuses évolutions apportées au réacteur infiniment mélangé parmi lesquelles: le réacteur contact, le bioréacteur à membrane, le réacteur à lit de boue et le lit fixé. Le lit fluidisé Ce type de procédé est garni de supports de croissance des microorganismes mobiles qui se déplacent au sein du réacteur biologique. Le flux entrant met en suspension les supports mobiles et crée un milieu homogène permettant un contact optimal des microorganismes et du substrat. Le flux entrant peut être ascendant ou descendant. Dans le cas d'un flux ascendant, les supports utilisés doivent avoir une densité supérieure à 1 pour contrer le flux et être mis en suspension. Dans le cas d'un flux descendant, la densité des supports utilisés doit être inférieure à 1. Avantages : Ce type de procédé est adapté au traitement d effluent riches en MES (> 10 g/l). Les charges admissibles par ce type de procédé peuvent aller jusqu à 50 kgdco/m3.j. Inconvénients : Ce type de réacteur est difficile à conduire car le flux entrant doit être parfaitement maîtrisé pour avoir une mise en suspension suffisante et homogène des supports. Le réacteur contact Ce système associe un réacteur parfaitement agité et un décanteur. Les boues décantées sont recirculées dans le réacteur biologique afin d augmenter la concentration en biomasse active ainsi que le temps de séjour des particules non dégradées. Les charges admissibles sur ce procédé varient de 1,0 à 6,0 kgdco/m3.j Avantages : Technologie simple d utilisation et peu onéreuse. Inconvénients : Des problèmes de décantation due à la production résiduelle de biogaz dans le décanteur peuvent apparaître. Le bioréacteur à membrane Le remplacement du décanteur par une unité de filtration immergée ou externe au réacteur permet d augmenter notablement les quantités de microorganismes maintenues dans le réacteur et donc permet d atteindre des charges plus élevées avec une qualité d épuration augmentée. Avantages : Taux d abattement de la pollution organique élevés (>90%) ; possibilité de valoriser le perméat de filtration comme eau industrielle.
Inconvénients : Maîtrise des paramètres de filtration afin de limiter le phénomène de colmatage des membranes. Investissement financier et maintenance plus importants. Le réacteur à lit de boue (UASB) Le principe de ce réacteur est basé sur la colonisation des microorganismes sous forme de granules facilement décantables. Le flux entrant ascendant permet de mettre en suspension le lit de boues et d avoir un mélange homogène. Ce système doit être équipé d un séparateur triphasique à son sommet pour séparer le biogaz produit, des granules et de l eau épurée. Avantages : Ce type de réacteur est adapté aux effluents présentant des teneurs en MES pouvant aller jusqu à 10 g/l. Ce type de réacteur permet d atteindre des charges importantes de 10 à 45 kgdco.m3.j. Inconvénients : Les principaux verrous de type de procédé sont la formation et le maintien de la structure granuleuse. La capacité des microorganismes à granuler est directement liée au type de rejet traité. Le démarrage de ce type de réacteur est généralement long car la charge doit être augmentée progressivement pour favoriser la granulation. Ce système est sensible aux longues périodes de surcharge et de sous charge. La granulation étant perturbée par la présence excessive de bactéries acidogènes, la phase d acidification doit être réalisée en amont dans une cuve séparée. Le lit fixé Le réacteur biologique est garni de supports de croissance statiques. Les bactéries se développent sous forme de biofilm sur ces supports ce qui leur confèrent une grande résistance aux perturbations extérieures (chocs de charge, arrêt, etc.) et une grande tolérance aux agents toxiques. Le flux peut être ascendant ou descendant. Ce type de réacteur permet d atteindre des charges comprises entre 5 et 10 kgdco/m3.j pour le flux ascendant et des charges comprises entre 10 et 20 kgdco/m3.j pour le flux descendant. Avantages : Grande résistance aux modifications de charge, aux longues phases d arrêt et grande tolérance à la présence d agents inhibiteurs. Inconvénients : Compte tenu de la présence de supports fixes, ce type de réacteur n est pas adapté aux rejets riches en MES (> 5 g/l). Risques de colmatage. Afin de limiter le phénomène de colmatage de ce type de procédé, un système de détassage des supports doit être mis en place par recirculation sous pression du biogaz produit.