Choix du procédé de digestion anaérobie

 

 

1) GENERALITES SUR LA CHAINE DE DIGESTION ANAEROBIE

 

La méthanisation ou digestion anaérobie est un procédé naturel de transformation de la matière organique en énergie par des bactéries en l’absence d’oxygène. Conduite dans des enceintes confinées – appelées digesteurs – à l’intérieur desquelles les réactions de fermentation sont optimisées et contrôlées, elle produit du biogaz composé majoritairement de méthane, tout en réduisant de moitié le taux de matières organiques de nombreux déchets ou sous-produits biodégradables. Le résidu de la digestion (ou digestat) est stable, désodorisé, débarrassé en majeure partie des germes pathogènes.

La chaîne de digestion se divise en plusieurs postes :

- l’épaississement des boues avant digestion ;

- le (ou les) digesteurs ;

- le stockage du biogaz ;

- la déshydratation des boues après digestion.

Premier maillon du traitement des boues après les phases de décantation, la méthanisation facilite le traitement des boues quelle que soit leur destination finale : valorisation agronomique, incinération, enfouissement en installation de stockage, et quels que soient les traitements intermédiaires appliqués : déshydratation, chaulage, séchage thermique, compostage. En effet, la méthanisation :

- réduit de 40 % en moyenne les quantités de boues à traiter ;
- élimine fortement les nuisances olfactives ;
- produit un digestat stabilisé, débarrassé en grande partie des germes pathogènes (bactéries mais aussi virus et parasites) et présentant un pouvoir fertilisant ;
- réduit les teneurs en composés organiques volatils.

 

La digestion anaérobie dans la chaîne de traitement des eaux usées (Solagro ,2001)

 

En sortie des décanteurs et des clarificateurs, les boues sont introduites dans les digesteurs. Elles y séjournent pendant 3 à 4 semaines. Les digesteurs sont des enceintes fermées, privées d’oxygène. Ils sont maintenus à une température de 37 °C (ou 55 °C) et brassés pour maintenir des conditions favorables au développement de micro-organismes. Plusieurs populations bactériennes vont se développer et transformer des substrats organiques complexes à longue chaîne carbonée en molécules simples à un seul carbone : méthane (CH4) et dioxyde de carbone (CO2). Il y a ainsi production de biogaz.

 

2) LES PARAMETRES DE LA DIGESTION ANAEROBIE

 

Le temps de rétention hydraulique :

Le TRH ou temps de rétention hydraulique (temps de séjour moyen des boues) est le principal paramètre de dimensionnement d’un digesteur. Il est généralement de l’ordre de 30 jours, ce qui est un compromis entre l’optimisation des performances de la dégradation de la matière organique et le volume du digesteur.

Température :

La digestion anaérobie de la matière organique ne produisant pas significativement de chaleur, il est nécessaire de chauffer les digesteurs pour maintenir une température compatible avec une bonne activité microbienne. Ce chauffage est assuré généralement en consommant une partie du méthane produit. Pour limiter cette autoconsommation, les opérateurs isolent thermiquement les digesteurs et préfèrent travailler en zone mésophile, c'est-à-dire dans un domaine de températures comprises entre 25 et 40°C. L'autoconsommation est alors de l'ordre de 15 à 25 % du méthane produit (la digestion anaérobie est le seul procédé de traitement des eaux usées qui permette de tirer parti du potentiel énergétique de la matière organique tout en préservant une large part de son potentiel fertilisant). Il est possible de travailler en zone thermophile, entre 45 et 55°C, pour accroître les vitesses de biodégradation, donc la productivité en méthane et réduire la taille des digesteurs. Cependant, cette approche exige une isolation thermique optimale, pour ne pas accroître l'autoconsommation, et est plus difficile à maîtriser. Dans tous les cas, les variations brutales de température (plus de 1°C en moins d'une journée) sont à éviter.

pH :

La zone optimale de pH pour la méthanisation est située aux alentours de la neutralité. Les bactéries méthanogènes sont fortement inhibées en dessous de 6. Les bactéries acidogènes supportent mieux les pH inférieurs à 6. Une chute de pH est donc le signe d'un dysfonctionnement. Dans la plupart des cas, le pH est auto-régulé dans le digesteur avec des valeurs optimales comprises entre 6,8 et 7,4 mais un ajout de bicarbonate de soude peut être nécessaire pour le maintenir.

Charge organique entrante :

Si le déchet est bien fermentiscible, il faut éviter les surcharges brutales (augmentation de plus de 20 % en moins d'une journée) qui risquent de déséquilibrer le processus et d'acidifier le milieu par suite d'une trop rapide production d'acides gras volatils. Pour les déchets de biomasse (dont la teneur en carbone de la matière organique est environ 50% de sa masse sèche), on obtient environ 1 Nm3 de biogaz par kilogramme de matière organique dégradée.

Oxygénation et teneur en eau :

L'oxygène est extrêmement toxique pour les bactéries anaérobies strictes (acétogènes et méthanogènes). Il est donc indispensable de protéger le milieu de toute entrée d'air. Une façon simple de procéder est de travailler en système noyé (saturé en eau) dans une cuve avec un ciel de faible volume. Les procédés de méthanisation sont donc spécialement adaptés pour les déchets très humides (teneur en eau supérieure à 80 %).

 

 

3) LES DIFFERENTS TYPES DE DIGESTEURS

 

Le digesteur, encore appelé fermenteur ou bioréacteur-anaérobie, est généralement constitué d’une cuve fermée, étanche à l’air et de préférence isolée thermiquement de l’extérieur dans laquelle les microorganismes se cotoyent pour dégrader chimiquement et biologiquement les effluents organiques et produire du biogaz. Le choix du digesteur varie en fonction du type de déchets à traiter et de l’application visée. On peut également classer les digesteurs selon le mode d’alimentation : batch ou continu.

On distingue plusieurs familles de procédés, avec des sous-familles et de très nombreuses variantes. Cependant la quasi-totalité des digesteurs d'effluents et boues industrielles sont des réacteurs à alimentation continue, que l'on classe par familles :

 

a ) Les digesteurs à cultures libres

Ce sont les réacteurs les plus anciens et les plus simples. On distingue :

• les réacteurs infiniment mélangés dans lesquels le substrat est homogénéisé par brassage mécanique ou brassage au gaz ;

• les réacteurs contacts dans lesquels la biomasse digérée est décantée et réintroduite en tête de digesteur, de façon à augmenter la concentration en microorganismes. En effet la vitesse de croissance des bactéries méthanogènes est lente : on cherche à les garder au sein des réacteurs plutôt que de les évacuer directement avec les boues ;

• les réacteurs "piston" qui permettent de faire cheminer le substrat de façon progressive dans le digesteur, de l'entrée à la sortie. Ceci permet de garantir un temps de séjour minimal pour la totalité du substrat.

 

b ) Les digesteurs à cultures fixées

Un autre moyen d'augmenter la concentration bactérienne consiste à permettre aux microorganismes de se fixer sur des supports. On parle alors de systèmes à cultures fixées. On distingue :

les systèmes UASB (Upflow Anaerobic Sludge Banket ou lit de boues anaérobies à flux ascendant) : en utilisant la capacité d'autofloculation de la biomasse dans le réacteur et la sédimentation des granules, les flots bactériens sont équilibrés dans le réacteur par sédimentation avec le flux ascendant de l'effluent à traiter ;

• les systèmes à culture fixe ou lit fixé : le réacteur contient un support statique inerte, minéral ou synthétique sur lequel viennent se fixer les bactéries ;

• les systèmes à lit fluidisé : les bactéries sont fixées sur un support mobile, particules granulaires fines et poreuses comme le sable, maintenues en expansion et contrôlées par le flux ascendant rapide et régulier de l'effluent.

 


Les grandes familles de digesteurs en continu (source : www.lebiogaz.info, 2004)

 

 

4) CARACTERISTIQUES DES DIGESTEURS

 

a) Nombre de digesteurs pour une ligne de traitement

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

 

b) Fonctionnement des digesteurs

Les digesteurs comportent un volume dans leur partie haute où les boues à digérer sont introduites depuis l’épaississeur par pompage. L’alimentation du digesteur (unique ou primaire) peut se faire par temporisation (alimentation semi-continue) ou en continu. Le mode d’extraction dépend de la configuration du système :

• Lorsque plusieurs digesteurs sont montés en série, l’alimentation de chaque ouvrage se fait en général par surverse depuis l’ouvrage précédent. Il est recommandé de pouvoir effectuer de temps en temps un soutirage des boues par le fond du digesteur.

• L’extraction des boues du dernier ouvrage vers la déshydratation se fait par pompage.

Tous les digesteurs sont protégés contre les risques de surpression par une soupape de sécurité.

 

c) Forme des digesteurs

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

Les différentes formes de digesteurs (Solagro ,2001)

 

d) Les matériaux utilisés

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

 

e) Brassage des boues

C'est un point relativement délicat à maîtriser, car les matériels utilisés sont fortement sollicités et l'état physique du déchet (solide ou boueux) rend l'agitation difficile. Pour les déchets boueux, l'agitation doit permettre d'éviter la décantation de particules denses, tout en interdisant l'entrée d'air dans le digesteur. L'agitation peut être assurée par :  

- brassage mécanique à l'aide d'un dispositif immergé tournant lentement (20 à 50 tr/min) tels que vis tubés ou hélice immergée,

- brassage hydraulique à l'aide de pompes adaptées (cas des déchets boueux),

- brassage par injection de biogaz comprimé à la base du digesteur. On parle alors de bullage de gaz : le gaz est comprimé (de 1 à 2 bars selon la hauteur du digesteur) puis injecté en fond de digesteur par des cannes de distribution situées au centre du digesteur. Il remonte vers la surface en entraînant la masse de boues, ce qui provoque un mouvement de convection important et le brassage de l’ensemble des boues.

 

f) Chauffage du digesteur

Le chauffage des digesteurs se fait par un circuit externe de re-circulation : les boues sont pompées depuis le fond du digesteur. Elles passent dans un échangeur « eau chaude / boues » , puis retournent vers la bâche d’alimentation du digesteur où elles sont mélangées avec les boues fraîches, ce qui permet de réchauffer celles-ci et de les ensemencer en bactéries méthanogènes.

Les échangeurs thermiques sont en général de type tubulaire, ce qui facilite leur entretien. Ils sont alimentés, à contre-courant, par l’eau chaude provenant d’une chaudière biogaz, ou du circuit de refroidissement d’un moteur biogaz (cogénération).

 

g) Le stockage du gaz

Le stockage du gaz s’effectue :

- soit dans un gazomètre à cloche, composé d’une structure en béton et d’une cloche à virole qui monte ou descend en fonction de la quantité de gaz ;

- soit dans un gazomètre à membrane souple.

 

 

5) PROCEDE RETENU POUR LE DIMENSIONNEMENT ET PARAMETRES CHOISIS

 

Etant données la taille de la station d'épuration (600 Equivalent-Habitants (EH)) et les technologies envisageables, nous avons choisi de retenir les paramètres suivants pour la suite du projet:

- un unique digesteur de type cylindrique en béton ;

- un réacteur de type infiniment mélangé fonctionnant en continu (les technologies batch étant plus difficiles à contrôler) ;

- fonctionnement mésophile (températures de consigne de 37 °C) ;

- brassage interne par injection d'une partie du biogaz produit ;

- un Temps de Rétention Hydraulique (TRH) de 30 à 35 jours (que l'on pourra éventuellement modifier par la suite en cas de surdimensionnement) ;

 

 

Schéma représentatif de la chaîne de digestion anaérobie choisie

 

 

Schéma du digesteur retenu (ARER, 2003)

 

Ces choix seront critiqués en fonction des résultats de pré-dimensionnement obtenus.

 

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