Le processus de Digestion.

La digestion à petite échelle, à quelques exceptions près,  est une réaction continue avec pour substrat principal les déjections animales. Les bactéries déjà présentes dans les effluents dégradent la matière organique et convertissent les résidus végétaux en biogaz. L’élément central d’une installation de méthanisation est le digesteur qui se compose la plupart du temps d’une ou plusieurs fosses de stockage de déjections desquelles on récupère le gaz.

 

Vous trouverez ci-dessous plus d’informations sur les techniques associées aux digesteurs, les différents éléments constituant une unité de méthanisation et vous en saurez plus sur la biologie et les paramètres du processus de méthanisation.

Les différentes options techniques de digesteur

 

La méthanisation à petite échelle est, à quelques exceptions près, un processus à base d’effluents liquides. L’élément central d’une installation de biogaz est le digesteur qui se compose la plupart du temps d’une ou plusieurs fosses de stockage de déjections desquelles on récupère le gaz.  Les déjections liquides, à l’intérieur du digesteur sont remuées ou mélangées et gardées à une température tiède constante. Le substrat est incorporé dans le digesteur plusieurs fois par jour et du digestat en est extrait simultanément. Le contenu du digesteur est constant, ce qui induit une production lissée et régulière de biogaz. La charge en matière sèche organique est bien contrôlée et l’alimentation peut aisément être automatisée. Vous pouvez choisir un digesteur horizontal ou vertical, fonctionnant en une seule étape ou en plusieurs, mésophile ou thermophile etc…L’installation qui vous conviendra le mieux dépendra énormément du mélange de substrats que vous souhaitez utiliser.

 

Pour les déjections solides il existe plusieurs options;  lorsqu’elles sont mélangées avec des déjections liquides ou de l’eau elles peuvent être traitées comme des effluents liquides dans les dispositifs décrits ci-dessus. Une autre option est de fonctionner de manière discontinue avec des digesteurs de type containers ou silos. Ce type de digesteur est constitué habituellement de plusieurs containers ou silos dans lesquels se déroule la fermentation. Ils sont remplis chacun en une seule fois et en décalé de manière à ce qu’il y en ait toujours un en production maximum. A l’issue du temps de rétention, le container ou le silo est vidé puis rempli à nouveau de substrat pour que le processus recommence. Le liquide produit durant la fermentation (percolat) est récupéré, chauffé et aspergé au-dessus du nouveau substrat.

 

Un autre type de digesteur est assez commun: le fermenteur à piston. C’est un cylindre horizontal où le substrat est entraîné d’un côté à l’autre. Le mécanisme de mélange fonctionne perpendiculairement à la direction du mouvement d’entraînement. La charge organique de ce type de réacteur peut être plus élevée que dans un réacteur vertical infiniment mélangé. Des valeurs de 5 à 10 kg MS/m3/jour sont classiques. En pratique, ces digesteurs sont souvent combinés avec un digesteur vertical permettant des temps de rétention plus longs.

 

 

 

Les éléments constituant une installation de biogaz

 

Une installation de biogaz ne comprend pas uniquement le ou les digesteurs. Il peut y avoir aussi:

 

  1. Le stockage des déjections
  2. Le stockage des co-substrats
  3. Un module d’alimentation du digesteur
  4. Les fermenteurs comprenant les mécanismes de brassage
  5. Une torchère
  6. Le stockage du biogaz
  7. Le stockage du digestat
  8. Une chaudière biogaz
  9. Un module de cogénération
  10. Une installation d’épuration du biogaz
  11. Des canalisations et pompes
  12. Une installation de traitement du digestat

 

Les éléments adaptés à votre situation et leur dimensionnement vont dépendre de l’énergie que vous souhaitez produire à partir du biogaz (électricité, chaleur ou biométhane), des opportunités que vous avez à valoriser des co-substrats, de la nécessité de traiter le digestat etc…

 

 

 

Biologie de la digestion anaérobie

Le biogaz est produit à partir de la biomasse par un phénomène biologique : la fermentation anaérobie. Anaérobie signifie que la réaction se fait en absence d’oxygène. La matière organique des substrats est réduite et convertie en biogaz par des micro-organismes.

 

Les 4 phases de la digestion

La processus se déroule en 4 étapes, chacune d’elle accomplie par différents groupes de bactéries.

 

4-phases-de-la-digestion

Source: méthanisation.info

 

  1. L’hydrolyse
  2. L’acidogénèse
  3. L’acétogénèse
  4. La méthanogénèse

 

Lors de la première étape, l’hydrolyse, les gros polymères organiques comme les hydrates de carbone, les graisses et les protéines sont découpés en plus petits composants comme les sucres simples, les acides aminés, les acides gras et l’eau.

Puis commence la seconde étape, l’acidogénèse, qui est une décomposition un peu plus poussée des composés résiduels. Elle est réalisée par des bactéries acidogènes qui convertissent les matériaux en acides gras à courte chaine, en alcool, en CO2, en hydrogène et en ammoniac.

Durant la troisième étape, l’acétogénèse, des acides organiques se forment. Ils constituent les précurseurs d’une éventuelle méthanogénèse. Les bactéries acétogènes responsables de cette troisième étape sont hautement sensibles aux fluctuations de température. La méthanogénèse commence elle-même lentement durant cette étape.

La quatrième et dernière étape de la digestion conduit à la production de méthane. 90% de la quantité totale de méthane est produite durant cette phase. Du CO2 est également émis ainsi qu’en petite proportion de l’eau, du H2S et du N2. La teneur en méthane du biogaz varie typiquement entre 50 et 60%. Pour la méthanisation à petite échelle, les quatre étapes de la digestion ont lieu dans le même réacteur (digesteur) qui est continuellement mélangé.

 

 

Conditions de développement des bactéries.

 

Les bactéries dans le digesteur sont très sensibles à la température. Pour cette raison, la température du fermenteur doit rester à un certain niveau pour éviter leur destruction. En pratique, on différencie les bactéries mésophiles et les bactéries thermophiles. Les bactéries mésophiles requièrent une température entre 25°C et 45 °C, habituellement fixée aux alentours de 38°C. Pour les thermophiles c’est au moins 45°C voire plus. Les bactéries thermophiles sont plus sensibles aux changements de températures que les bactéries mésophiles. Pour cette raison, la digestion thermophile est plus difficile à contrôler.

 

Mise à part une certaine température constante, il existe d’autres facteurs qui ont une influence positive sur le développement des bactéries.

 

Un environnement humide. La teneur en eau des substrats doit être d’au moins 50% pour que les bactéries produisant le méthane travaillent et se reproduisent.

Un environnement sombre. Bien que la lumière ne soit pas létale pour les bactéries, cela peut ralentir leur activité. Par conséquent l’obscurité aide au processus de digestion.

La valeur du pH dans le digesteur. Généralement, chaque colonie de bactérie travaille de façon optimum à un certain niveau de pH. Pour les méthanogènes c’est à pH=7. Dans le cas où un seul fermenteur est utilisé, il est recommandé de maintenir ce niveau de pH. Car les méthanogènes mettent plus de temps à se reproduire, ce qui fait d’eux le maillon le plus faible de la chaine.

Les nutriments. Pour constituer leur matériel cellulaire, les bactéries ont besoin de nutriments, vitamines et minéraux. Les déjections en fournissent généralement suffisamment.

Une grande surface de contact avec les substrats. Plus fins sont les substrats lorsqu’ils entrent dans le digesteur, plus grande est la surface spécifique de contact et meilleur sera la réaction de digestion. Surtout lorsque le temps de rétention est court, il est important d’utiliser un broyage fin des substrats. La formation de croute de flottation décroit l’activité de surface ce qui est une des raisons d’un mélange fréquent du substrat.

L’approvisionnement en continu des substrats. Pour éviter une suralimentation des bactéries, il est important de créer un flux de substrat le plus continu possible. Plus les substrats sont dégradables, plus il faut alimenter souvent le fermenteur.

L’évacuation du gaz. Plus le gaz peut s’échapper facilement du substrat, plus la production sera importante. Pour réaliser cela, la pression du gaz au-dessus du substrat ne doit pas devenir trop élevée. Une bonne évacuation du gaz est par conséquent nécessaire.

Eviter certaines substances inhibitrices. Certaines substances ont un effet perturbant ou même dévastateur sur la production de biogaz. L’oxygène en est un bon exemple mais les antibiotiques ou des substrats moisis peuvent aussi perturber la digestion.

 

Les paramètres du processus

Il existe trois paramètres principaux qui décrivent le processus de méthanisation. Ce sont :

 

La charge organique, qui s’exprime en teneur en matière sèche. Elle représente l’apport quotidien de matière sèche organique alimentant le digesteur en kg par m3. Classiquement les valeurs sont entre 2 et 3 kg MS/m3/jour. En règle générale, on peut considérer 4kg/m3/jour comme un maximum. Au-dessus, l’activité des bactéries diminue.

Le temps de rétention, appelé aussi temps de rétention hydraulique. C’est le temps de séjour  théorique du substrat dans le digesteur. Pour un fermenteur vertical infiniment mélangé, c’est une valeur calculée. Pour un fermenteur à piston le temps hydraulique de rétention représente de façon précise le temps réel de rétention. Généralement, plus le substrat est facile à se décomposer, plus le temps de rétention hydraulique est court.

Le pourcentage de dégradation. Il représente le pourcentage de la quantité totale de matière sèche organique qui est dégradée durant le temps de rétention. Classiquement, il est approximativement de 60%. Un taux supérieur est possible mais cela nécessiterait un temps de rétention beaucoup plus long et/ou un traitement thermique sous pression. En pratique, on ne réalise pas une conversion totale de toute la matière organique.

 

 

 

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