Les procédés de digestion anaérobie pour la production du Biogaz

Samedi 4 janvier 2014

Le Biogaz est une énergie renouvelable produite par la digestion anaérobie de matières organiques biodégradables de différentes catégories (déchets verts, déchets ménagers fermentescibles, des boues de stations, des effluents d’élevage et de coproduits agricoles, des cultures énergétiques agricoles, etc.). Il est composé majoritairement de méthane et de dioxyde de carbone et pourrait être valorisé, après son épuration, pour la production de biocarburant, d’électricité et/ou de chaleur.

Procédé classique d'une unité de production du biogaz

Procédé de digestion anaérobie

Une unité de production et de valorisation du biogaz comprendra essentiellement un hydrolyseur, un ou plusieurs digesteurs où se déroulent les réactions, un gazomètre et un système de conversion du biogaz en d’autres formes d’énergie utile.

En conditions d’anoxie, à un pH neutre et sous un potentiel redox inférieur à 330 mV, des populations bactériennes dégradent la matière organique dans le digesteur pour produire du biogaz. Des températures mésophiles (autour de 37°C) ou thermophiles (autour de 55°C) sont le plus souvent assurées pour une méthanisation optimale. L’hydrolyse, l’acidogénèse, l’acétogénèse et la méthanogénèse sont les principales étapes constituant un processus classique de digestion anaérobie. Ce dernier présente un métabolisme assez complexe avec plusieurs mécanismes de transformations possibles. Les espèces sont en compétition continue, impliquant ainsi des cinétiques de croissance avec de nombreuses phases d’activation et d’inhibition.

Le contrôle des paramètres hydrodynamiques

Les débits d’entrée et de sortie des effluents, le temps de séjour des fluides et des solides ainsi que la configuration des digesteurs et des unités de séparation mises en jeu doivent être minutieusement choisis pour la bonne conduite de la digestion anaérobie. Le temps de séjour hydrodynamique doit permettre un taux de croissance satisfaisant des populations bactériennes. D’autre part, et afin d’éviter la diminution de la biomasse dans le réacteur (lessivage), la conception du réacteur et les conditions de fonctionnement doivent aussi assurer un temps de séjour des solides supérieur au plus grand temps de doublement des populations bactériennes. Ainsi, la relation entre le temps de séjour hydraulique et le temps de séjour des solides va dépendre du procédé préconisé pour la digestion anaérobie.

Configurations des digesteurs anaérobies

Le choix du type de réacteur à considérer dans un processus de digestion anaérobie dépend non seulement des caractéristiques de la charge à traiter (notamment de sa teneur en solide) mais aussi des contraintes technico-économiques relatives à la mise en oeuvre de l’installation.

Digesteur en batch :
Dans ces réacteurs, le substrat est dégradé jusqu’à l’épuisement de la charge organique susceptible de se convertir en biogaz. Ce mode est robuste et relativement facile à mettre en oeuvre. Néanmoins, ces réacteurs nécessitent une phase de remplissage et de vidange ainsi qu’un temps élevé pour la croissance des bactéries ce qui limite leur emploi à des petites installations.

Digesteur continu :
Dans ces réacteurs agités, la biomasse est dispersée dans la masse liquide et sera acheminée à la sortie avec l’effluent. Le temps de rétention des solides serait dans ce cas égal à celui de l’effluent liquide. Comme la croissance du milieu bactérien nécessite un temps de séjour assez long (de 10 à 20 jours dans la plupart des cas), les débits d’alimentation et de soutirage seraient très faibles notamment pour les réacteurs à faible volume réactionnel. Il est à noter que les réacteurs infiniment mélangés sont de loin le type d’installation le plus utilisé jusqu’à présent. Le mélange est assuré en intégrant un agitateur mécanique et/ou en recyclant une partie des effluents à la sortie (effluent liquide et/ou biogaz). Ce type de réacteur est le plus souvent utilisé pour le traitement des déchets solides et boueux.

Digesteur à lit fixe et à lit fluidisé : les réacteurs à lit fixe contiennent un support fixe sur lequel la biomasse se fixe et se développe. Les supports sont inertes et présentent différentes formes géométriques (granules, grille,…). Les digesteurs à lit fluidisé sont caractérisés par une importante mobilité des supports ce qui assure une bonne homogénéité du milieu réactionnel, assure un bon transfert à l’interface entre le liquide et le biofilm et limite le risque de colmatage. Ce type de réacteur est particulièrement robuste aux surcharges organiques comparé au réacteur infiniment mélangé. (The anaerobic fermentation of food waste : a comparison of two bioreactor systems)

Rendement en méthane

Les substrats organiques sont généralement constitués de protéines, de lipides et de glucides avec des taux variables selon la nature et l’origine de la biomasse. Le rendement en méthane dépend largement du taux et de la composition des matières organiques volatiles dans la charge à traiter.

Volume de méthane produit en m3/tonne de déchet organique brute

Les résidus de cultures énergétiques, présentent un potentiel méthane plus élevé que celui des résidus d’animaux, mais la codigestion de ces derniers avec d’autres substrats reste essentielle du fait de l’apport en nutriments et la régulation de pH assurés par ce type de déchets (Optimization of biogas production by co-digesting whey with diluted poultry manure. Renewable Ener).

Principaux débouchés du biogaz

Selon sa pureté en méthane, le biogaz pourrait trouver de nombreuses applications : Production d’électricité et/ou de chaleur : Pour la production simultanée de l’électricité et de la chaleur, les moteurs et les turbines de cogénération sont généralement employés. Les moteurs sont dotés d’échangeurs thermiques et peuvent atteindre un rendement énergétique global de l’ordre de 80%. Ils nécessitent, cependant, des maintenances plus ou moins lourdes selon les concentrations d’impuretés dans le biogaz. Les turbines sont plus stables aux fluctuations de la charge et tolèrent des faibles proportions en méthane.

Injection dans le réseau de gaz naturel :
Le biogaz doit répondre aux normes appliquées sur le gaz naturel. Toutes les impuretés présentes dans le biogaz (CO2, H2O, H2S, composés organohalogénés, etc.), doivent être réduites à des teneurs très faibles.

Utilisation comme biocarburant pour véhicules et pour piles à combustible :
En plus d’une pureté similaire à celle du gaz naturel, le biogaz nécessite une compression supplémentaire à 200 bars avant son utilisation comme carburant automobile. Pour les piles à combustible, le reformage in situ du méthane pour produire l’hydrogène confère un intérêt majeur pour les systèmes embarqués.

La transformation des déchets organiques en une source d’énergie utile vise essentiellement la réduction de la dépendance vis-à-vis des énergies fossiles tout en minimisant l’impact environnemental et en augmentant l’intérêt socio-économique. Le développement des unités de méthanisation et de valorisation énergétique de biogaz doit se faire en mobilisant massivement les secteurs industriels, les secteurs agricoles et les collectivités locales.

Meryem SABER, CDER

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