PPP 2012 - Co-digestion anarobie (tude de cas)

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tude bibliographique passant en revue les diffrentes techniques de traitement de dchets organiques, et notamment la digestion anarobie: principe, types de digesteurs et conditions exprimentales.tude du cas de la co-digestion de l'eau issue de la gazification du charbon.

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Co-digestion anarobie des rejets riches en composs difficilement biodgradables : cas de leau use issue de la gazification du charbon

MINISTRE DE LENSEIGNEMENT SUPRIEURET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE *** * ****** * ***UNIVERSIT DE CARTHAGE *** * ****** * ***INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUESET DE TECHNOLOGIE Projet Personnel Professionnel Filire : Biologie IndustrielleSujet:Co-digestion anarobie des rejets riches en composs difficilement biodgradables: cas de leau use issue de la gazification du charbon Ralise par: Khaled BACH TARZIEncadr par: Mr. Hassib BOUALLAGUI Anne Universitaire: 2011/2012Liste des abrviations

AGV : Acides Gras VolatilsCM: Charge MassiqueCSTR : Continuous Stirred-Tank ReactorCV: Charge VolumiqueDBO5: Demande Biologique en Oxygne sur 5 joursDCO: Demande Chimique en OxygneHAP: Hydrocarbures Aromatiques PolycycliquesIC: Internal RecirculationMO : Matire OrganiqueMVS: Matire Volatile ScheOHPA: Obligate Hydrogen Producing AcetogensUASB: Upflow Anaerobic Sludge Blanket

Liste des figuresFigure 1 - Station de compostage automatique11Figure 2 - Produits de la digestion anarobie12Figure 3 - tapes de la mthanisation13Figure 4 - Digesteur infiniment mlang15Figure 5 - Digesteur piston horizontal15Figure 6 - Racteur UASB16Figure 7 - Racteur lit fluidis17Figure 8 - Valorisation des produits de mthanisation19Figure 9 - Rendement en biogaz des diffrents co-substrats22Figure 10 - Racteur BIOPAQUASB24

Liste des tableauxTableau 1 - Types de digesteurs14Tableau 2 - Composition du biogaz18Tableau 3 - Principales caractristiques des eaux uses de la gazification du charbon23

Sommaire

Introduction7I.Dchets81.Dchet organique82.Types de dchets8a.Dchets municipaux8b.Dchets industriels8c.Dchets de lagriculture et agro-alimentaire8II.Technologies de gestion des dchets101.Enfouissement102.Incinration103.Recyclage104.Valorisation organique10a.Compostage11b.Digestion anarobie11III.Digestion anarobie131.Ractions biochimiques13a.Hydrolyse13b.Acidognse13c.Actognse14d.Mthanognse142.Types de digesteurs14a.Racteur infiniment mlang14b.Racteur contact15c.Racteur piston15d.Racteur UASB15e.Racteur IC16f.Racteur lit fix ou fluidis163.Paramtres opratoires17a.Temprature17b.pH17c.Nutriments17d.Inhibiteurs18e.Critres de performance184.Produits de la mthanisation18a.Biogaz18b.Digestat195.Valorisation des produits19a.Biogaz19b.Digestat196.Avantages et limites20a.Avantages20b.Limites20IV.Co-digestion anarobie221.Application: cas de la gazification du charbon22a.Substrat23b.Co-substrat23c.Technologie24d.Rsultats242.Avantages25Conclusion26Bibliographie27

IntroductionL'environnement englobe lensemble de la biodiversit terrestre et marine, c'est--dire des ressources naturelles indispensables la vie de l'espce humaine et de la Terre. Sauf que les socits industrialises daujourdhui, gnrent par leurs activits intensives de plus en plus de dchets, susceptibles de menacer lcosystme tel que leau, le sol, lair, et donc la survie de tous.Paralllement, lenjeu environnemental pousse les pouvoirs publics adopter des normes de rejets en milieu naturel toujours plus restrictives, et ce pour protger lenvironnement contre la dangerosit des dchets.Dans ce contexte, lhomme gre ses dchets par diffrentes mthodes, physicochimiques et biologiques, comme le recyclage, le compostage et la digestion anarobie laquelle il accorde un intrt croissant. Et pour contourner les limites de la digestion anarobie et conomiser le plus de ressources, certains pays au monde recourent la co-digestion anarobie, en utilisant par exemple le mthanol.

DchetsDchet organiqueUn dchet est tout rsidu dun processus de production, de transformation ou dutilisation[] , dorigine vgtale ou animale.Il est compos essentiellement ou exclusivement de matire organique biodgradable, do lappellation de dchet fermentescible.Types de dchetsIl existe une multitude de dchets, qui peuvent tre classes selon leur origine :Dchets municipauxCe sont des dchets dont llimination est assure par les communes. La composition des ces dchets est trs varie :Dchets verts: feuilles mortes, fleurs fanes, tontes de gazon, fougres sches, corces broyes...Dchets mnagers: riches en matires putrescibles, de papiers, de cartons, de plastiques et de verreBoues: matires liquides et boueuses issues recueillies aux diffrentes tapes de la dpollution des eaux uses dorigine domestique (boues urbaines), ou manant des activits artisanales, commerciales et industrielles (boues industrielles)Dchets industrielsIls comprennent les dchets suivants :Dchets industriels inertes: rsidus des activits extractives, dblais, produits de dmolitionsDchets industriels banals (DIB): issus des industries et des commerces, ils sont essentiellement composs de bois, de papiers/cartons et de mtaux Dchets industriels spciaux: nocifs et dangereux, ils comprennent des substances tel que le plomb, des boues de peintures, des dchets provenant de lindustrie ptrolire, chimique et pharmaceutiqueDchets de lagriculture et agro-alimentaireCes dchets sont en gnral facilement valoriss. On cite:Dchets agricoles: cannes et pailles, feuilles et collets de betterave, fumiers et lisiersDchets agro-alimentaires: comprennent les rejets dabattoirs (graisses, os, dchets de dcoupe), des laiteries et fromageries (lactosrum), de sucrerie (mlasses, pulpes), les fruits et lgumes, et de viticulture (marcs alcooliss et puiss)

Technologies de gestion des dchetsDiffrentes possibilits soffrent aux industriels ainsi quaux particuliers, pour liminer, ou recycler et valoriser les dchets organiques.EnfouissementLes dchets dits ultimes, cest--dire ceux dont les caractristiques ne permettent pas denvisager une forme de valorisation dans les conditions techniques et conomiques du moment, sont enfouis dans des centres denfouissement.Cependant, lenfouissement des dchets entrane de graves consquences. Outre les mesures de scurit auxquelles sont soumises les installations d'limination des dchets par stockage, elles ne sont autorises accueillir que des dchets ultimes, cest--dire ne pouvant tre ni recycls, ni rcuprs, ni valoriss .IncinrationLincinration des dchets se fait dans une chambre de combustion, pendant une heure 1000 C .Elle permet de rduire le volume des dchets, de dtruire les microbes et les germes infectieux, de rcuprer de lnergie lectrique ou thermique, tout en conomisant les combustibles fossiles (gaz, fioul, charbon).Nanmoins le traitement par incinration entrane lmanation de gaz toxiques (dioxine, oxydes dazote et de soufre), ce qui constitue une source de pollution et de nocivit pour la sant publique.RecyclageLerecyclage, ou valorisation matire,est un mode detraitement qui consiste remplacer une matire premire lors du cycle de production par un dchet, et ce pour conomiser la matire premire et rduire la toxicit des dchets.Parmi les filires de recyclage, il y a celle du papier, carton et brique alimentaire, en vue de re-fabriquer du papier ou du carton.Valorisation organiqueLa valorisation organique permet de produire, partir de dchets organiques :soit du compost, qui apporte de lhumus et des fertilisants ncessaires au bon dveloppement des culturessoit du biogaz, dont la combustion produit de la chaleur, de llectricit, ou peut tre utilis comme carburantCompostageCest un procd de fermentation lair libre des matires organiques, par laction de micro-organismes, en un produit appel compost.

Figure 1 - Station de compostage automatiqueCrdits 1 - APV CompostLe compostage se droule en deux tapes:Tout dabord, les dchets sont dcomposs en anarobiose et temprature leve (50-70 C), pendant deux trois mois. Les dchets sont arross et retourns rgulirement.Deux catgories dagents biologiques interviennent:

Ensuite, les dchets subissent une maturation basse temprature (35-45 C), pendant trois quatre mois. Les paramtres suivis de prs sont la temprature, le taux dhumidit (50-60 %), et les contrles dapports deau, y compris atmosphriques.Le compostage dbouche en un produit qui sera ds lors cribl et stock: le compost obtenu est stabilis, hyginique et riche en composs humiques. Le compost sert amliorer la fertilit du sol.Digestion anarobieLa digestion anarobie, appele aussi mthanisation, est un processus biotechnologique base sur la dgradation par des micro-organismes, en anarobiose, de la matire organique en un digestat et un biogaz.Les dchets sont dabord injects dans le digesteur ferm hermtiquement, ferments par un consortium bactrien en anarobiose, pour former un digestat utilis brut ou aprs traitement comme compost, et un biogaz comme source dnergie renouvelable.

Figure 2 - Produits de la digestion anarobieCrdits 2 - Alain Gallien, Banque de schmas, Acadmie de Dijon (2011)

Digestion anarobieRactions biochimiquesLa transformation est reprsente sur cette figure :

Figure 3 - tapes de la mthanisationCrdits 3 - Rseau Coopratif de Recherche sur les DchetsHydrolyseIl sagit de la premire tape de la digestion anarobie, durant laquelle les macromolcules complexes des dchets sont hydrolyses en composs plus simples, appels monomres. Cette raction est catalyse par les enzymes exocellulaires des bactries hydrolytiques.Au cas o le substrat utilis contiendrait des composs difficilement hydrolysables, cette tape deviendra limitante.AcidognseEnsuite, la plupart des monomres organiques sont transforms en acides gras volatils (AGV) ainsi que de l'hydrogne et du dioxyde de carbone. Cette tape est assure par des espces microbiennes acidognes.Les organismes responsables de ces deux premires tapes de transformation sont les bactries acidognes et fermentaires comme Clostridium sp et Bacillus sp.ActognseCette phase correspond la transformation des acides gras volatils et autres substances de petite taille molculaire (alcool, aldhyde) en acide actique, prcurseur direct du mthane.Cette transformation est mene par des bactries dites actognes, qui se divisent en deux groupes:bactries productrices obliges dhydrogne (Obligate Hydrogen Producing Acetogens, OHPA), anarobies strictes, capables de produire de lactate et de lH2 partir des mtabolites rduits issus de lacidogense. Parmi ces bactries, on citeSyntrobacter sp et Sytrophomonas sp.bactries homoactognes, se dveloppent dans les milieux riches en dioxyde de carbone, assurent la production dactate.MthanognseFinalement partir de lactate, ou de lhydrogne et du CO2, des micro-organismes appartenant au domaine des Archaea, produisent le mthane.Il existe deux voies de production de mthane:mthanisation hydrognophile, cest--dire partir de l'hydrogne et du dioxyde de carbone, assure par des espces hydrognotrophesmthanisation actoclaste, ces--dire partir de lacide actique, assure par des espces actotrophesParmi les organismes mthanognes, on peut citer Mthanosarcina, Mthanothrix et Mthanosaeta.Types de digesteursLes digesteurs technologies de mthanisation peuvent tre classs selon plusieurs critres, notamment celui de ltat des cultures bactriennes :Digesteurs cultures libresDigesteurs cultures fixesRacteur infiniment mlangRacteur UASBRacteur contactRacteur ICRacteur piston Racteur lit fixRacteur lit fluidis

Tableau 1 - Types de digesteursRacteur infiniment mlangLe substrat, dont la siccit nexcde pas les 15%, y est agit en permanence, de faon mcanique, pneumatique ou hydraulique, pour faciliter le dgazage.

Figure 4 - Digesteur infiniment mlangCrdits 4 - MethanevaRacteur contactLa biomasse digre est dcante puis rintroduite au sein du digesteur, pour y faire augmenter la concentration en micro-organismes.Racteur pistonLe substrat, la siccit dpasse les 20%, y est achemin de faon progressive, afin de lui garantir un temps de sjour minimal et est brass par des ples.

Figure 5 - Digesteur piston horizontalCrdits 5 - Agence de l'Environnement et de la Matrise de l'EnergieRacteur UASBUn flux de boues ascendant met en suspension un lit de biomasse active et granuleuse, utilisable comme support bactrien, avec dcantation interne.Le flux entrant ascendant permet de mettre en suspension le lit de boues et davoir un mlange homogne.Ce systme doit tre quip dun sparateur triphasique (gaz-liquide-solide) son sommet pour vacuer le biogaz produit.

Figure 6 - Racteur UASBCrdits 6 - PrakrutiRacteur ICLa biomasse granulaire est utilise comme support bactrien, avec recirculation interne permettant d'amliorer le rendement de dgradation.Racteur lit fix ou fluidisLe support bactrien est en plastique ou en matriaux fibreux, fix sil est statique et fluidis sil est mis en suspension par la circulation de l'effluent. Le support est ensuite mis en suspension par un courant de liquide, ascendant ou descendant, qui permet un contact optimal entre les bactries et les substrats, ce qui rduit le risque de colmatage.

Figure 7 - Racteur lit fluidisLgende - A: alimentation; S: sortie; G: gaz; R: recirculationCrdits 7 - Romain Cresson, Universit Montpellier IIParamtres opratoiresAfin dassurer une activit optimale de la mthanisation, diffrents paramtres doivent tre contrls .TempratureDeux plages de tempratures sont communment utilises :la plage msophile entre 30C et 40C, utilis par la grande majorit des systmes industrielsla plage thermophile entre 50C et 60C, traitent des charges organiques plus importantes grce la croissance plus rapide de la flore microbiologique en jeu, mais qui sont en gnral plus instables et plus sensibles aux modifications extrieurespHLes bactries anarobies et notamment les bactries mthanognes sont sensibles aux variations de pH. Le pH optimal du processus de mthanisation se situe entre 6,5 7,5.Laccumulation dacides gras volatils lors dune surcharge du mthaniseur entrane une chute rapide du pH des valeurs infrieures 5,0 ce qui entrane une inhibition du processus de mthanisation.NutrimentsLes bactries anarobies ont besoin de macronutriments comme lazote et le phosphore. Le ratio optimal C/N/P est estim 100/5/1.Des lments minraux sont aussi ncessaires, tels que le potassium, le calcium, le fer, le cuivre, le nickel, le cobalt, etc.InhibiteursLa digestion anarobie peut tre inhibe par la prsence de certaines composs comme loxygne, lammoniac, le chlorure de sodium, le cuivre, le chrome, le nickel, etc.Loxygne est trs toxique pour les bactries anarobies strictes. Critres de performanceRendement de dgradation: Il mesure le taux de dgradation de la matire organique biodgradable.Charge volumique (CV): Elle correspond la quantit quotidienne des matires organiques introduites par unit de volume du digesteur. Mesure en kg MO/m3.j en agriculture et en kg DCO/m3.j en agro-industrie.Charge massique(CM) : Elle correspond la quantit quotidienne de matires organiques introduites par quantit de biomasse prsente dans le digesteur. Mesure en kg DCO/kg MVS.j.Rendement volumique: Il se mesure en m3 mthane/m3 digesteur. jour. Il indique la performance d'un digesteur pour un substrat donn.Temps de rtention hydraulique: Il assure le meilleur compromis entre le taux de dgradation et le volume du digesteur. Ainsi, un temps de sjour long permet un taux de dgradation lev mais au prix d'un volume important. Produits de la mthanisationCette dgradation aboutit la production de biogaz et de digestat.BiogazIl sagit dun mlange gazeux satur en eau, ayant la composition suivante :GazPourcentage (%)Mthane (CH4)50 - 70Dioxyde de carbone (CO2)20 - 50Dioxygne (O2)0 - 2Diazote (N2)0 - 2Dihydrogne (H2)0 - 1Hydrogne sulfur (H2S)0,3 0,5Ammoniac (NH3)Traces

Tableau 2 - Composition du biogazDigestatDigestat, rsidu stabilis, humide, contenant de la matire organique non biodgradable (lignine,) et des matires minrales (N, P, K,).Valorisation des produitsBiogazFort dun Pouvoir calorifique infrieur (PCI) de 5 7 kWh de chaleur dgage/Nm3 de combustible consomm, le biogaz est valoris par la cognration, pour : Produire de llectricit partir du biogaz grce un moteur sur lequel la chaleur produite est rcupre sous forme deau chaude.Rduire la charge polluante des dchets et des effluents organiques.DigestatLe digestat est riche en matire organique et est valoris par une sparation de phase qui permet de produire:Une fraction solide riche en matire organique qui se gre comme un amendement organique destin lamlioration de la structure du sol.Une fraction liquide contenant de lazote ammoniacal utilisable comme engrais liquide.

Figure 8 - Valorisation des produits de mthanisationCrdits 8 - Alain Gallien, Banque de schmas, Acadmie de DijonAvantages et limitesAvantagesLa digestion anarobie est une pratique qui possde beaucoup davantages :

LimitesDivers problmes peuvent tre rencontrs lors de la digestion anarobie :

1 pression atmosphrique, 1 m3 de biogaz produit contient autant dnergie que 0,6 l de fioul.

2 Le biogaz provenant de djections animales est particulirement riche en hydrogne sulfur, particulirement corrosif et toxique.Certaines substances inhibitrices sont la principale cause des troubles cits, surtout lorsquelles sont prsentes dans des concentrations leves. Parmi ces inhibiteurs, on trouve: lammoniac, le sulfure, les ions de mtaux lgers, les mtaux lourds et certaines matires organiques.

Co-digestion anarobieCeci explique le recours la co-digestion, qui consiste en un traitement conjoint de matires rsiduelles diffrentes.La co-digestion anarobie apporte aux micro-organismes plusieurs co-substrats, sources de carbone ou dnergie. Bien que la disponibilit dun seul substrat suffise assurer la croissance de la population microbienne, beaucoup despces bactriennes sont capables dutiliser simultanment plus quun substrat, mme si lun deux sont est prsent trs faible concentration. Ce phnomne, appel co-utilisation, permet aux micro-organismes, dont le taux de croissance atteint dsormais un niveau considrable, de sadapter aux substances inhibitrices. Ainsi, on peroit une amlioration de la biodgradation des composs chimiques les plus persistants, ce qui se rpercute sur la production de biogaz qui augmente, et ce dautant plus que les co-substrats ajouts sont riches en matire organique biodgradable.De tels co-substrats peuvent provenir de :

Figure 9 - Rendement en biogaz des diffrents co-substratsCrdits 9 - Fachverband Biogaz et ADEASOApplication: cas de la gazification du charbonLexemple trait dans ce rapport mane de lindustrie du charbon, particulirement celle de la gazification, procd qui permet de produire une nergie propre partir de combustibles fossiles, comme le charbon.Cette activit industrielle rejette une eau use dont le traitement anarobie ncessite un grand volume deau propre, utilise comme diluant, ou du charbon actif granulaire, utilis pour son pouvoir adsorbant mais trs coteux lchelle industrielle. De ce fait, il sagit dun exemple typique dune eau trs rfractaire la digestion anarobie. Pour y remdier, une co-digestion anarobie a t dveloppe pour le traitement ce ces eaux rfractaires.SubstratLeau issue de la gazification contient plusieurs composs toxiques et difficilement biodgradables, qui incluent les composs phnoliques, les composs htrocycliques, les HAP, les alcnes longues chanes, les composs amins, lammoniac, le sulfure, le thiocyanate et le cyanure.ParamtreValeurDCO (mg/L)2500-3500DBO5 (mg/L) 700-1100Phnols (mg/L)450-700Phnols volatils (mg/L)80-200Acides volatils (mmol/L)2-10NH3-N (mg/L)100-150Alcalinit bicarbonate (mmol/L)0.5-3Huile (mg/L)20-80Sulfure (mg/L)20-50Thiocyanate (mg/L)20-50Cyanure (mg/L)0.2-5Temprature (C)40-50pH 6.5-8.0

Tableau 3 - Principales caractristiques des eaux uses de la gazification du charbonLes composs phnoliques, qui constituent 40%-50% de la DCO totale, sont capables dinhiber la dgradation des fractions organiques facilement biodgradables, leur propre biodgradation ainsi que la production de biogaz.Co-substratLa co-digestion des eaux rsiduaires en question fait appel au mthanol comme co-substrat. Le mthanol est un substrat facilement biodgradable, disponible et peu coteux. De plus, son addition favorise la croissance des bactries mthanognes. Par consquent, il est possible d'amliorer la biodgradabilit anarobie des eaux uses de gazification du charbon en ajoutant du mthanol.TechnologieLe processus se droule lintrieur dun racteur anarobie lit de boues flux ascendant (Upflow Anaerobic Sludge Blanket reactor, UASB) msophile. Le temps de rtention hydraulique (TRH) est fix 24 heures, tandis que la vitesse du liquide ascendant 0.375 m/h.Cette tude a port sur deux racteursUASB, dont un est enrichi par du mthanol et lautre sans mthanol, utilis comme racteur contrle. Leffet de la concentration de mthanol et llimination du phnol ont t tudis.

Figure 10 - Racteur BIOPAQUASBCrdits 10 - PaquesRsultatsLes rsultats exprimentaux obtenus montrent quen prsence de mthanol, non seulement la biodgradation des composs phnoliques prsents dans les eaux uses issues de la gazification du charbon est amliore, mais aussi la toxicit de ces eaux est rduite: La meilleur concentration en mthanol est gale 500 mg/ L, qui pour une charge volumique de 3.5 Kg DCO/ m3.j et un taux de charge phnolique de 0.6 Kg/ m3.j, llimination de DCO et des phnols atteint respectivement 71% et 75%.De plus, lajout de mthanol a permis daugmenter la production de mthane de 0.12 3.35 L/j.Enfin, la quasi-totalit de mthanol ajout lors du traitement est dgrade, puisque la concentration de mthanol dtecte en fin dexprience est infrieure 10 mg/L. AvantagesLes co-substrats prsentent lavantage de la variabilit des sources dapprovisionnement. Ceci permet de diminuer linfluence des fluctuations saisonnires.La co-digestion est technologie techniquement ralisable et conomiquement efficace pour la suppression ou la neutralisation des substances toxiques, rfractaires la digestion anarobie. La co-digestion joue un rle prpondrant dans la bioremdiation des cosystmes pollus par des produits chimiques.

ConclusionLe traitement des dchets par voie biologique, comme la digestion anarobie, permet non seulement dliminer la pollution mais aussi de produire du biogaz valoris, et donc de prserver lcosystme de lHomme.Mais, comme pour chaque procd technologique, la biomthanisation a des limites qui posent problme notamment au niveau technique. Dans ce contexte, la co-digestion en anarobiose apparat comme alternative la mthode prcdente. Elle permet de rduire encore plus la charge polluante des dchets traiter, limine des substances toxiques et produit un biogaz plus riche en mthane. La force de ce bioprocd rside dans sa capacit traiter des dchets dorigines diffrentes.Enfin, si lon considre laccroissement du volume de dchets ainsi que la valeur ajoute apporte par la co-digestion anarobie, on peut admettre la possibilit que le traitement de dchets devienne un jour une source dnergie renouvelable part. cet effet, les units centralises au Danemark fournissent 3% de lnergie renouvele produite dans ce pays. Ceci dit, pour que la digestion anarobie se dveloppe en source dnergie conomiquement viable, il parat important deffectuer des recherches sur diffrents paramtres qui limitent la mthanisation, dont le plus majeur est la complexit de la flore microbienne implique dans cette activit, et ce pour pouvoir dvelopper la mthanisation dans une perspective de dveloppement durable.

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