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On entend beaucoup parlé de la méthanisation que cela soit dans le traitement des boues de stations d’épuration municipales, des déchets issus des élevages, de traitement des effluents industriels et sur certaines décharges d’ordures ménagères où le gaz issu de la décomposition de la matière organique est capté purifié puis valorisé sur des unités de cogénération produisant de l’électricité et/ou de la chaleur.
Chaque application nécessite la mise en œuvre de techniques bien particulières.
C’est pourquoi, Bio Environnement a décidé de créer spécialement cette page pour vous guider dans votre choix.
La méthanisation est née de l’observation de phénomènes de dégradation naturels de substrats organiques, vase ou fumier, sous forme de gaz : le méthane (CH4) et le dioxyde de carbone (CO2).
Ces observations ont ensuite été portées à un stade de développement puis de mise en œuvre de techniques permettant une application à divers secteurs : méthanisation de fumier, vinasses, déchets organiques, boues d’épuration urbaines et industrielles…
Le coût du prix des énergies ne cessant d’augmenter, les industriels, les éleveurs et les municipalités sont aujourd’hui tentés de confirmer ou s’orienter à nouveau vers la méthanisation comme c’était déjà le cas pour le traitement des effluents par méthanisation en 1973, lors du premier choc pétrolier.
Cet engouement est soutenu depuis juin 2007 par l’augmentation du prix de rachat de l’électricité issu de la valorisation du biogaz conformément à l’Arrêté du 10 juillet 2006 fixant les conditions d’achat de l’électricité produite par les installations qui valorisent le biogaz. En effet, le coût de rachat atteint désormais 9 à 14 centimes d’euro par kilowatt produit.
Il s’agit donc d’une part pour les entreprises de traiter leur pollution tout en créant une source potentielle de recette. Il en va de même pour de plus en plus d’agriculteurs et éleveurs dont le souhait est de compléter l’activité par une technique leur permettant d’engranger de nouvelles sources de revenus.
La méthanisation se compose d’une suite de réactions que nous vous proposons de présenter sommairement ci-après.
Nous exposerons ensuite quels sont les paramètres optimaux nécessaires à la croissance bactérienne pour la méthanisation.
- Les étapes de la méthanisation
La méthanisation est un processus biologique de dégradation de la matière organique carbonée en l’absence d’oxygène.
Cette dégradation se déroule en plusieurs stades grâce aux bactéries anaérobies :
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On observe deux grandes familles : les bactéries acidogènes et les bactéries méthanogènes. Elles interviennent successivement dans la méthanisation.
Les bactéries acidogènes transforment la matière organique en acides présents essentiellement sous forme d’acides gras volatiles encore appelés AGV (acide acétique et butyrique). C’est l’étape de d’hydrolyse et d’acidogènése.
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Le relais est ensuite passé aux bactéries méthanogènes qui vont dégrader ces acides en acétate, dihydrogène et dioxyde de carbone. C’est l’étape d’acétogènése.
La méthanisation se terminera, après l’étape d’acidification, par la dégradation de l’acétate, du dihydrogéne et du dioxyde de carbone en biogaz constitué de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2).
La méthanisation peut se dérouler à différentes températures :
- 36-37°C : on parle alors de bactéries mésophiles
- 44°C : on parle alors de bactéries thermophiles.
Pour que l’ensemble des étapes nécessaires à la méthanisation soit accompli, il convient de maintenir le pH à 7, c'est-à-dire à neutralité.
- Les nutriments et oligo-éléments
Les bactéries étant des organismes vivants, il est indispensable de leur apporter les nutriments et oligo-éléments nécessaires à leur croissance.
Il est important de préciser que dans le cas de la méthanisation le ratio C/N/P est inférieur à celui de l’aérobie. Aussi, dans le cas d’effluents présentant des concentrations en azote et en phosphore importantes, il sera nécessaire de réaliser des étapes d’anoxie et d’aérobie (aération) dans des ouvrages spécialement conçus et dimensionnés.
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A l’exception des décharges municipales où le gaz issu de la dégradation de la matière organique des déchets est capté sur de larges étendues bâchées, traité puis valorisé, la méthanisation est principalement mise en œuvre dans des cuves de type inox, acier vitrifié ou encore béton avec couverture hermétique et résistante à une pression de quelques millibars.
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Il existe des mises en œuvre en lagune avec couverture flottante mais cette technique est peu répandue car peu maîtrisable.
La cuve peut avoir plusieurs appellations : méthaniseur, digesteur, bio-digesteur.
Selon ce qui doit être traité, la technique diffère. En effet, il est impossible de traiter de la même façon dans un digesteur du fumier, matière organique compacte, et un effluent industriel, liquide :
Dans le cas de matière organique sous forme compacte ou en forte présence de Matières en Suspension (MES), on parle de méthaniseur ou digesteur infiniment mélangé.
La technique du méthaniseur infiniment mélangé repose sur la mise en place d’une cuve à toit étanche avec un système de brassage à vitesse lente.
Dans le cas de matière organique sous forme liquide (faiblement chargé en MES), on parlera simplement de méthaniseur, c’est par exemple le cas des effluents de distillerie, vinasses, brasseries, fromageries (lactosérum ou petit lait), confitureries et une grande partie des effluents agroalimentaires présentant des concentrations en Demande Chimique en Oxygène (D.C.O) importantes.
On réalisera alors des méthaniseurs à cultures libres ou à cultures fixées, la désignation « cultures » est donnée aux bactéries formant des amas bactériens ou biofilms.
La culture fixée repose sur l’emploi d’un support dit « biologique », il peut être de différentes natures (PVC, pouzzolane,…) de type vrac ou organisé et mobile (ou fluidisé) ou immobile. Il offre aux bactéries une surface d’accroche propice à leur développement et donc une élévation de leur concentration dans le réacteur. Ainsi, on atteint alors des performances plus importantes comme cela est présenté dans le paragraphe suivant.
Lorsque aucun support n’est employé, on parle de cultures libres.
En résumé, cela donne :
Méthaniseur infiniment mélangé : 1-5 kilos de DCO/m3/j
Méthaniseur à support biologique mobile : 5-30 kilos de DCO/m3/j
Méthaniseur à support biologique immobile : 5-100 kilos de DCO/m3/j
Grâce aux développements entrepris sur les réacteurs à support biologique type « vrac », il est désormais possible d’atteindre sur certains effluents des charges allant de 5 à 100 kilos de DCO par mètre cube et par jour.
Les phénomènes de colmatage parfois constatés sur les méthaniseurs de première génération sont désormais écartés.
En effet, grâce au développement de nouveaux supports comme par exemple le Média Biosphère et à la supervision, il est désormais possible d’exploiter pleinement les avantages de la méthanisation à cultures fixées.
La méthanisation à cultures fixées est choisie par de nombreux industriels pour sa plus grande souplesse d’exploitation. Afin d’accentuer ses avantages, la méthanisation à cultures fixées s’est dotée de systèmes de supervision comme c’était déjà le cas dans sur les stations d’épuration de type aérobie.
La supervision qu’est-ce que c’est ? C’est une capture et l’exploitation de données récoltées sur les différents appareillages présents sur un méthaniseur (ou plus généralement une station d’épuration) : débits, pressions, températures, fonctionnement des pompes…
L’ensemble des appareils présents sur la station d’épuration sont raccordés à un automate, cet automate permet la capture, l’exploitation et la mise en place d’actions automatisées grâce à un logiciel de supervision. On contrôle ainsi du bureau, de la station d’épuration ou du bureau du constructeur les phases de marche et d’arrêt des pompes par exemple.
Grâce à la supervision, il est désormais possible de visualiser sous forme de synoptiques le bon fonctionnement de l’installation dans son ensemble ainsi que le traitement des données à partir de modèles établis par les constructeurs.
Toutes les données sont consignées et archivées dans l’ordinateur.
On peut grâce à la supervision visualiser les alarmes, les compteurs horaires, les courbes de débits, de pressions ou encore de température.
Elle permet à l’opérateur d’intervenir physiquement pour des actions correctrices dans un laps de temps très court lorsque l’action ne peut être prise en charge par la supervision elle-même.
La supervision permet donc une exploitation plus souple et à distance de la station d’épuration lorsque le système est relié à Internet via une liaison téléphonique. Les informations sont cryptées et l’accès limité par des identifiants ou mots de passe pour plus de confort et de sécurité.
Comme nous l’avons vu précédemment, la méthanisation se déroule en absence d’oxygène on économise donc une grande quantité d’énergie électrique par rapport aux traitements aérobies.
La consommation en énergie électrique de la méthanisation par rapport à l’aérobie peut-être de 4 à 10 fois inférieure à celle d’un prétraitement aérobie
De plus, le biogaz, sous produit de la méthanisation comme nous l’avons vu précédemment, est valorisable sous différentes formes à savoir :
- La plus simple est la valorisation thermique. Pour ce faire, le biogaz est brûlé en chaudière et il servira à produire de l’eau chaude ou de la vapeur.
- La valorisation énergétique est de plus en plus recherchée sur des unités présentant un fort potentiel de production de biogaz qui rappelons le est directement lié à la pollution traitée sur le digesteur. La valorisation énergétique est réalisée grâce à différents appareils : moteur thermique ou bien turbine à gaz.
- Réduction de gaz à effet de serre
En valorisant 1 tonne de CH4 (méthane) sur une unité de cogénération ou sur une chaudière, on évite le rejet d’environ 2,54 tonnes de CO2 ! Le CO2 est un gaz à effet de serre dont les émissions polluantes aggravent le réchauffement climatique. Il entre dans le protocole de Kyoto ratifié par la France.
La méthanisation permet une production de boues, c'est-à-dire un volume de micro-organismes ayant servis à l’épuration biologique, beaucoup plus faible que dans le cas d’une filière aérobie classique.
On limite donc le coût lié à leur élimination (transport, épandage, compostage, incinération…)
En effet, le ratio de production de boues pour une méthanisation aller de 2 à 5 fois moins que sur unité aérobie.
La méthanisation offre également un avantage indéniable, sa compacité. En effet, elle permet d’atteindre des charges d’au minimum 1 kilo de DCO par mètre cube de réacteur et par jour jusqu’ à 100 kilos de DCO par mètre cube de réacteur et par jour.
L’aérobie lui lorsqu’il se décline sous forme de système fortes charges peut atteindre 10 kilos de DCO par mètre cube et par jour.
Le coût d’une installation de méthanisation est généralement supérieur à celui d’une unité aérobie puisqu’elle nécessite l’emploi d’ouvrages et d’appareillages spéciaux.
Il convient par conséquent d’étudier avec précision l’ensemble des paramètres internes et externes.
Cette question ne peut être approfondie qu’après étude de votre cas. En effet, il est difficile de répondre à ces questions dans la mesure où chaque cas est particulier.
Bio Environnement vous propose néanmoins quelques secteurs où la méthanisation des effluents est généralement retenue :
- traitement du lactosérum ou petit lait (Fromageries)
- distilleries
- brasseries
- confitureries
- industries agroalimentaires en général
- oléagineux
- certaines industries chimiques
- …
On observe bien entendu de fortes similitudes entre industriels d’une même profession mais de nombreux paramètres vont entrer en compte dans la définition de la filière.
Aussi, avant de vous lancer dans le choix de votre filière, il faudra définir, avec l’aide d’une société spécialisée dans le traitement de l’eau et maîtrisant la méthanisation, vous poser et répondre aux questions suivantes :
- Ai-je défini les caractéristiques de mon effluent avec exactitude ? (Débit journalier, de pointe, saisonnalité, qualité des effluent, terrain disponible, …).
- Quelle pourrait être la filière de valorisation la plus intéressante pour mon entreprise ?
- …
Le temps de retour sur investissement déterminera bien souvent le choix de la filière : aérobie ou anaérobie. Il peut aller de quelques mois à plusieurs années.
Grâce à sa maîtrise du traitement des effluents que cela soit par voie aérobie ou anaérobie, Bio Environnement peut vous aider dans le choix de la filière la plus adaptée, à la taille de votre entreprise, aux caractéristiques de vos effluents ainsi qu’à l’ensemble des contraintes liées à la construction d’une unité d’épuration.
La méthanisation offre de nombreux avantages comme la production d’énergie et/ou de chaleur, la réduction de la quantité de boues produites ou encore l’encombrement de l’installation plus faible que sur d’autres techniques.
Néanmoins, il convient de vous faire accompagner par un spécialiste maîtrisant les techniques aérobies et anaérobies (méthanisation) afin de définir ensemble vos besoins.
Parce que chaque projet est différent et qu’une technique n’est avant tout performante que lorsqu’elle est maîtrisée, Bio Environnement peut vous aider à définir et réaliser la filière d’épuration adaptée à vos besoins.
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