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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