Amélioration de la digestion anaérobie des déchets ?· Ce substrat a été bien choisi et il est…

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  • Revue des Energies Renouvelables SIENR14 Ghardaa (2014) 93 98

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    Amlioration de la digestion anarobie des dchets mnagers

    (dchets de restaurant) en utilisant un prtraitement physique

    M. Djaafri 1*

    , S. Kalloum 1, M. Khelafi

    1, A. Tahri

    1, F. Salem

    1, K. Kadi

    1

    O. Barako 2

    , A. Kadri 2, L. Bensmail

    2 et A. Amahrouch

    2

    1 Unit de Recherche en Energies Renouvelables en Milieu Saharien, URERMS

    Centre de Dveloppement des Energies Renouvelables, CDER 01000, Adrar, Algeria

    2 Facult des Sciences et Technologie, Dpartement de Biologie

    Universit Tahri Mohammed, Rue de lIndpendance, Bchar, Algeria

    Rsum Lobjectif de cette tude est damliorer la digestion anarobie en utilisant un prtraitement physique des

    dchets organiques [1]. Le substrat choisi pour cette tude se compose des dchets organiques facilement

    biodgradables, riche en sucre et en amidon [2-4], issus de la rsidence universitaire de luniversit Africaine de la

    ville dAdrar Sud-Ouest en Algrie. Le but de ce travail est daugmenter le rendement en mthane par lamlioration

    de la digestion anarobie des dchets organiques lchelle de laboratoire en vue dexploiter ces rsultats lchelle

    pilote. Durant cette tude, nous avons utilis un digesteur du type batch, dune capacit de 01 litre avec une

    concentration de 30 g/l. Aussi nous avons suivi lvolution du pH, du volume de biogaz, de la DCO et de la charge

    microbienne lors de la digestion anarobie en fonction du temps. La production de biogaz inflammable a commenc

    par une valeur de 300 ml/jour ds le premier jour, avec un volume total de 773.5 ml, et un rendement de 56.66 ml/g

    de matire organique. Le taux de dgradation de la matire organique a atteint 76.33 % pour une courte priode de 10

    jours. En comparaison avec les rsultats de [5] o la production de biogaz inflammables na commenc quaprs le

    17me jour, avec un volume du biogaz de 692.8 ml seulement pendant 65 jours dexprience. Cela nous permet de

    conclure que le traitement physique, ainsi que le choix du substrat facilement biodgradable reprsente une solution

    prometteuse pour la mise en marche des nouveaux digesteurs de diffrents types lchelle pilote et semi pilote.

    Mots cls: Digestion Anarobie Biogaz Prtraitement - Dchets Organiques Mthanisation.

    1. INTRODUCTION

    Grce la digestion anarobie, les dchets deviennent une source de richesses. Cette technologie devient

    essentielle dans le processus de rduction des volumes de dchets et la production de biogaz, qui est une source

    dnergie renouvelable pouvant tre utilise dans la production dlectricit et de la chaleur.

    Durant le processus de digestion anarobie, seule une partie de la matire organique est compltement

    dgrade, le reste est un excellent agent de fertilisation des terres agricoles et qui peut tre utilis en tant que tel.

    La digestion anarobie (DA) transforme les dchets organiques en biogaz via un consortium microbien dans

    des conditions exemptes doxygne, rendant la DA lune des rares technologies qui, la fois produit de lnergie

    et traite les dchets produits par les activits humaines. Il est possible de distinguer trois grandes tapes dans ce

    phnomne: une tape hydrolytique, une tape dactognse et une tape de mthanognse.

    Chaque tape tant ralise par diffrentes catgories de microorganismes qui ont t rparties selon quatre

    groupes trophiques:

    -des bactries hydrolytiques qui hydrolysent les lipides, les protines et les glucides (cellulose

    principalement) et les transforment en molcules simples;

    -des bactries fermentaires acidognes produisant de lhydrogne et de lactate;

    -des bactries actognes, dites homoactognes, catabolisent les composs monocarbons et multicarbons

    en acide actique;

    - des bactries mthanognes. Elles ralisent la dernire tape en mtabolisant des composs monocarbons

    ou de lactate, en mthane [6, 7].

    Ainsi, trs actif en consortiums microbiens et de leur fonctionnement concert contribuent directement un

    systme efficace du processus de DA. Lquilibre des nutriments est galement critique dans le processus de

    DA. Un rapport ( NC ) Carbone-Azote de 20 30 reprsente un optimum pour la production du biogaz, tandis

    que lexcs de sources dazote ou de carbone peut conduire linhibition [8].

    Plusieurs travaux ont t effectus pour amliorer la mthanisation par lapplication de diffrentes

    techniques.

    Le prsent travail consiste en ltude de lamlioration des conditions de la digestion anarobie et

    lacclration de mthanisation des dchets organiques lchelle de laboratoire. Cela a pour but dexploit ces

    rsultats lchelle pilote et surtout pour la mise en marche de nouveaux digesteurs.

    Au cours de cette tude, nous avons choisi un substrat facilement biodgradable. Nous avons appliqu un

    prtraitement physique ce substrat afin dacclrer la mthanisation. Pour cela, nous avons suivi lvolution du

    pH, de la DCO et du volume de biogaz produit.

    * djaafrimoh@urerms.dz , tahri@urerms.dz , Kamel.kaidi@yahoo.fr m.khelafi@urerms.dz , Salem.fethya@live.fr barakoomar@gmail.com

    mailto:djaafrimoh@urerms.dzmailto:tahri@urerms.dzmailto:m.khelafi@urerms.dzmailto:Salem.fethya@live.frmailto:barakoomar@gmail.com

  • M. Djaafri et al.

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    2. MATERIELS ET METHODES

    2.1 Substrat utilis

    Le substrat utilis dans cette tude, est constitu des dchets organiques issus de la rsidence universitaire de

    luniversit dAdrar. Ce substrat a t bien choisi et il est compos principalement des dchets de cuisine

    facilement biodgradable (Fig. 1), tels que les pluchures des lgumes sucrs (betterave et carotte) [2] et des

    aliments cuits qui contient beaucoup damidon (principalement le riz et la pomme de terre) [3, 4]. Le broyage du

    substrat a t effectu en utilisant un broyeur de type GAM International.

    Le pH a t mesur en utilisant un pH-mtre de type Metr Tolledo. Lajustement du pH se fait laide dune

    solution de NaOH 0.5N [9]. Le surnagent obtenu, aprs centrifugation des chantillons, a t utilis pour mesurer

    la DCO, ce paramtre a t dtermin en utilisant la mthode dcrite par [10, 11]. Le volume du biogaz produit

    est dtermin par la mthode du liquide dplac [12], la matire organique (MO) a t mesure par la mthode

    standard [13].

    Fig. 1: Vue photographique du substrat avant le broyage

    2.2 Caractrisation du substrat

    Tableau 1. Caractrisation du substrat avant la mthanisation

    Paramtre Valeur

    Matire sche (MS%) 24 %

    Matire organique (MO%) 95 %

    pH 6.9

    Taux de lipides 73 %

    Taux de sucres 22.3 %

    Taux de protines 4

    Tableau 2. Charge microbienne initiale du substrat

    Germes Nombre (germe/ml)

    Gamt 127106

    Coliformes 6104

    Streptocoques 11104

    Staphylocoques 104

    Clostridiums 4103

    Levures 12106

    2.3 Dispositif exprimental

    Les essais ont t raliss dans des racteurs de type discontinu (batch). Il sagit dune bouteille dun litre. Le

    racteur est muni de deux trous, le premier pour le prlvement des chantillons liquides laide dune seringue,

    et lautre pour la rcupration et la mesure du volume de biogaz produit (Fig. 2). Les digesteurs utiliss sont

    aliments avec les dchets mnagers. La concentration est de lordre de 30 g MS/l [14].

    Fig. 2. Vue photographique du digesteur

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    3. RESULTATS ET DISCUSSIONS

    3.1 Evolution du pH en fonction du temps

    Le pH est un indicateur trs intressant dans la stabilisation et le bon droulement de la digestion anarobie.

    Les procds de digestion anarobie sont fortement influencs par le pH. La digestion anarobie se droule de

    faon optimale au voisinage de la neutralit 7pH avec une valeur optimale entre 6.5 et 7.5 [15].

    Daprs la figure 3, on peut remarquer que le pH varie au cours de la mthanisation. La courbe dvolution

    du pH peut tre divise en quatre intervalles:

    Fig. 3: Evolution du pH en fonction du temps

    1re

    partie- Durant les deux premiers jours, nous remarquons quil y a une chute rapide du pH dune valeur

    de 7.07 5.45. Cette diminution est due la dcomposition de substrat et la formation des acides gras comme

    lacide lactate, butyrate, propionateetc et leurs accumulations dans le milieu.

    2me

    partie- Ds le troisime jour jusquau cinquime, le pH est lgrement augment (auto- ajustement).

    Cette augmentation peut tre explique par la production de lthanol, mais il reste loin de la valeur optimale.

    3me

    partie- A partir du cinquime jour, nous avons ajust le pH avec une solution dhydroxyde de sodium

    afin de rendre sa valeur proche de 7 (valeur optimale pour la digestion anarobie), aprs lajustement, le pH

    diminue et reste au voisinage de 6 jusquau onzime jour, cela est d la continuit de la production des acides

    [9].

    4me

    partie- Aprs le onzime jour, un deuxime ajustement du pH a t effectu. Mais cette fois-ci le pH

    reste stable aprs lajustement au voisinage de 7 jusqu la fin de lexprience. Cela peut tre expliqu par la

    consommation des Acides Gras Volatils (AGV) et lpuisement de la matire organique.

    3.2 Evolution du volume de biogaz en fonction du temps

    Sur la figure 4, On remarque que la majorit du volume de biogaz est produite durant les cinq premiers jours

    avec un maximum de 300 ml enregistr au premier jour. Cette production importante et rapide peut tre

    explique par le fait que le substrat utilis est constitu majoritairement des dchets sucrs et des aliments cuits

    (substrat prtrait et facilement biodgradable).

    Fig. 4: Evolution du volume de biogaz en fonction du temps

    A partir de 7me

    jour jusqu la fin de lexprience au 17me

    jour, nous enregistrons une diminution continue

    du volume de biogaz qui devenu nul au dernier jour. Cela est ventuellement expliqu par lpuisement de la

    matire organique et par consquence lpuisement des AGV dans le milieu, ainsi que le dsquilibre du milieu

    de culture (absence des nutriments). Ces rsultats se ressemblent celles obtenus par [14, 15].

    3.3 Evolution de la demande chimique en oxygne (DCO) durant la digestion anarobie

    La figure 5 reprsente la variation de la DCO en fonction du temps. Durant les premiers jours de la digestion

    anarobie, la DCO est faible, cest le dbut de la dgradation du substrat, qui est constitu majoritairement par

    des macromolcules (phase dhydrolyse et acidognse). Au cinquime jour la DCO atteint son maximum (8000

    mg/l), celle-ci est explique par la dgradation de la majorit de substrat.

  • M. Djaafri et al.

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    Aprs le cinquime jour, la DCO commence diminuer jusqu ce quelle atteigne sa valeur minimale qui est

    de lordre de 400 mg/l la fin de la digestion. Le taux de dgradation de la charge organique est de 76.33 %. Ce

    rsultat est en bon accord avec la littrature [16].

    Fig. 5: Evolution du DCO en fonction du temps

    3.4 Evolution de la charge microbienne durant la digestion anarobie

    Les micro-organismes tudis appartiennent aux genres des Coliformes totaux, Staphylocoques,

    Streptocoques, Clostridiums et les levures. Durant les deux premiers jours de la digestion anarobie, les

    diffrents genres existent dans le digesteur avec une majorit des Coliformes 3.4104 UFC, grce leur forte

    prsence dans le substrat, et grce aussi la vitesse de multiplication trs rapide.

    Fig. 6: Evolution de la charge microbienne en fonction du temps

    La concentration des autres micro-organismes est variable. Cette charge pourrait tre responsable de la

    dgradation des macromolcules donc les sucres complexes sont hydrolyss en sucres simple grce des

    enzymes hydrolytiques. Cest le cas de la cellulase secrte par les Clostridiums, tandis que lamidon est

    transform en glucose et en maltose par lamylase des Clostridiums et la glucoamylase des levures. Le

    saccharose est aussi hydrolys en glucose et en fructose par lintervention des levures, des Clostridiums, et des

    Streptococcus.

    En ce qui concerne les lipides, ces derniers sont hydrolyss en acides gras et glycrol grce des lipases et/ou

    des estrases moins spcifiques. Ces enzymes se retrouvent chez les levures, les Staphylococcus et

    gnralement chez certains espces de Coliformes (Serratia).

    Notant que les Clostridiums et les Streptococcus provoquant la dgradation des protines grce leur

    peptidase.

    Au cours de 6me

    jour, il y a une croissance accrue de lensemble des groupes microbiens except les

    Staphylocoques qui sont presque absents sous linfluence du pH acide (pH =5.4), cest le cas des Staphylocoques

    blanches. La croissance est trs importante avec (4.3106

    UFC de Clostridiums, et 8.3106 UFC de Coliformes,

    4.1106 UFC de Streptocoques, 8.5610

    5 UFC de Levures). Cette croissance est de la consommation des

    produits de lhydrolyse des macromolcules. Elle est accompagne par la production dacides en particulier

    lacide pyruvique, lacide butyrique, lacide actique aboutissant la diminution du pH. La production de ces

    acides est ralise par diffrents genres bactriens et diffrentes voies mtaboliques partir de lacide pyruvique.

    Au cours du 10me

    jour, les Clostridiums et les Streptocoques continuent leurs croissances dans le digesteur

    avec [0.7107 UFC et 0.410

    7 UFC], successivement grce leur activit catabolique des lipides et des

    protines. Par contre la charge des Coliformes et des Levures dcroit [2.4106 UFC et 4.910

    5 UFC] grce la

    diminution du taux des sucres dans le milieu et leur faible activit catabolique vis--vis des lipides et des

    protines.

    Au 15me

    jour, la charge de tous les groupes microbiens est faible dans les digesteurs, car le substrat

    organique est puis dans le milieu.

    3.5 Caractrisation du substrat aprs la digestion

    La masse transforme correspond 15 g de MO. Sachant que le volume de biogaz total produit durant la

    mthanisation est gale 773.5 ml, on aboutit un rendement de 56.66 ml/g de MO, cette valeur est

    considrable en comparaison avec les rsultats trouvs par [17].

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    Tableau 3. Caractrisation du substrat aprs la mthanisation

    Paramtre Valeur

    Matire sche (MS%) 2.15 %

    Matire organique (MO%) 45 %

    pH 7

    Taux de lipides -

    Taux de sucres 0.8 %

    Taux de protines 1

    Tableau 4. Charge microbienne du substrat

    Germes Nombre (germe/ml)

    Gamt --

    Coliformes 0.2104

    Streptocoques 0.18104

    Staphylocoques 0

    Clostridiums 0.8105

    Levures 3104

    4. CONCLUSION

    Cette tude nous a permis de conclure que le prtraitement physique des dchets organiques facilement

    biodgradables (riches en sucre et en amidon), acclre la digestion anarobie et reprsente une solution

    prometteuse pour la mise en marche des nouveaux digesteurs de diffrents types lchelle pilote et semi pilote.

    Cela est bien vident par la dgradation rapide de la matire organique selon les rsultats que nous avons

    obtenus:

    - La production du mthane a bien commence depuis le premier jour de la digestion anarobie avec une

    valeur de 300 ml/jour;

    - La grande quantit de biogaz a t produite durant les cinq premiers jours (640 ml) avec un volume totale

    de 850 ml;

    - Le rendement en biogaz produit est de 56.66 ml/g de matire organique;

    - Le taux de dgradation de la matire organique a atteint 76,33 %.

    NOMENCLATURE

    DA- Digestion Anarobie. C/N- Carbone-Azote. DT- Digesteur Tmoin. DE- Digesteurs

    Ensemencs. MS-Matire Sche. MO- Matire Organique UFC- (Unit Formant une colonie)

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