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La méthanisation
René Moletta Coordonnateur
11, rue Lavoisier F75008 Paris
Chez le même éditeur
Phénomènes de transfert en génie des procédés Collection Traité de génie des procédés J.-P. Couderc, Ch. Gourdon, A. Liné, 2008
Introduction au droit de l’environnement e P. Malingrey, 3 édition, 2007
Gestion des problèmes environnementaux dans les industries agroalimentaires e R. Moletta, coord. 2 édition, 2006
Métrologie en chimie de l’environnement e P. Quevauviller, 2 édition, 2006
La chimie verte P. Colonna, coord., 2006
Traitement des eaux de refroidissement Aquaprox, 2006
Chimie analytique en solution Principes et applications J.-L. Brisset et al., 2005
Sécurité sanitaire et gestion des déchets : quels liens Rapport de l’Académie des sciences Académie des sciences - B. Tissot, coord. 2004
© LAVOISIER, 2008 ISBN : 978-2-7430-1036-2
Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur ou du Centre français d’exploitation du droit de copie (20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris), est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, d’autre part, les analyses et courtes citations justifiées dans le caractère scientifique ou d’information er de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (loi du 1 juillet 1992 – art. L. 122-4 et L. 122-5 et Code pénal art. 425).
Liste des auteurs
Sylvaine Berge Solagro Ingénieur projet 75, voie du TOEC 31176 Toulouse cedex Nicolas Bernet Directeur de Recherche LBE INRA, avenue des Étangs 11100 Narbonne Théodore Bouchez Chercheur scientifique UR HBAN CEMAGREF, Antony parc de Tourvoie, BP 44 F 92163 Antony cedex Alain Braumann Directeur de Recherche Sup agro Montpellier 2, place Viala 34060 Montpellier Pierre Buffière Chargé de Recherche LBE INRA, avenue des Étangs 11100 Narbonne Yann Bultel Maître de conférences LEPMI, ENSEEG, BP 75 38402 Saint-Martin-d’Hères cedex Patricia Camacho Chef de projet Suez env. 38, rue du Président-Wilson 78230 Le Pecq Hélène Carrère Chargée de Recherche LBE INRA, avenue des Étangs 11100 Narbonne © Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit
Vincent Chatain Maître de conférences INSA Lyon LAEPSI Bât. Sadi-Carnot 9, rue de la Physique 69621 Villeurbanne cedex Christian Couturier Solagro Ingénieur Dir. pole Énergie 75, voie du TOEC 31176 Toulouse cedex Gérard Fonty Directeur de Recherche UMR CNRS 6023 Université Blaise-Pascal 63177 Aubière cedex Jacques Fouletier Professeur LEPMI, ENSEEG, BP 75 38402 Saint-Martin-d’Hères cedex Patrick Germain Professeur INSA Lyon LAEPSI Bât. Sadi-Carnot 9, rue de la Physique 69621 Villeurbanne cedex Jean-Jacques Godon Directeur de Recherche LBE INRA, avenue des Étangs 11100 Narbonne Serge Guiot CNRC-IRB Agent principal de Recherche 6100, ave Royalmount Montréal H4P 2R2 Canada Guillermina Hernandez-Raquet Chargée de Recherche LBE INRA, avenue des Étangs 11100 Narbonne
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Pierre Hirtzberger Ingénieur de Recherche Lille métropole Communauté urbaine 1, rue du Ballon BP 749, 59034 Lille cedex J.-M. Klein Doctorant LEPMI, ENSEEG BP 75 38402 Saint-Martin-d’Hères cedex Eric Latrille Ingénieur de Recherche LBE INRA, avenue des Étangs 11100 Narbonne René Moletta Directeur de Recherche Polytech’ Savoie, parc Technolac 73376 Le Bourget du Lac Marina Moletta Denat Ingénieur de Recherche CSTB 77421 Champs-sur-Marne Adalberto Noyola Professeur UNAM, Circuito Escolar Ciudad Universitaria, Coyoacan CP 04510, MEXICI DF, Mexique Aurélie Ohanessian Doctorant INSA Lyon LAEPSI Bât. Sadi-Carnot 9, rue de la Physique 69621 Villeurbanne cedex
La méthanisation
Dominique Patureau Steyer Directeur de Recherche LBE INRA, avenue des Étangs 11100 Narbonne Claude Prévot Ingénieur procédé Degremont 183, avenue du 18-Juin-1940 92500 Rueil-Malmaison Pierre Roger Directeur de Recherche 4, avenue Jules-Ferry 13100 Aix-en-Provence Claude Servais Délégué général Club Biogaz ATEE 47, avenue de Laplace F-94117Arcueil Jean-Philippe Steyer Directeur de Recherche LBE INRA, avenue des Étangs 11100 Narbonne Willy Verstaete Professeur Université de Gent Coupure Links 653 9000 Gent, Belgique
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e Quand Alessandro Volta, à la fin duXVIIIsiècle écrivit sur « l’air inflammable des marais, un air qui brûle très lentement avec une belle flamme bleue », plus tard appelé « méthane », son observation suggérait déjà la répartition des rôles des principaux acteurs d’une réaction chimique dont on mesure aujourd’hui l’impor-tance énergétique et environnementale. Le méthane provient en effet de la décom-position de la matière organique par une communauté microbienne complexe, en absence d’oxygène. La production de méthane – la méthanisation – se rencontre naturellement dans les marais, les lacs, comme dans les intestins des animaux et de l’homme, et même sur…Mars, si cette découverte récente est confirmée. Maîtriser ce processus naturel permettra de trouver des solutions, peu dispen-dieuses en énergie, pour résoudre des questions environnementales modernes, celles concernant l’élimination des déchets et résidus organiques, par exemple les ordures ménagères résiduelles ou les déchets agricoles, les effluents indus-triels ou les odeurs induites par le lisier des élevages porcins. Optimiser les tech-nologies de la méthanisation des résidus solides, c’est s’offrir une voie originale de production d’énergie : le biogaz produit, constitué principalement de méthane et de gaz carbonique, peut alors être valorisé selon différentes filières énergéti-ques épargnant l’énergie fossile. Les chercheurs de l’INRA ont développé une expertise incontestable dans ce domaine, notamment par l’apport de nouvelles connaissances dans la compréhen-sion, la modélisation et le comportement des écosystèmes microbiens complexes associés aux systèmes de dépollution. À cet égard, la description de la diversité structurelle et fonctionnelle de ces écosystèmes constitue un préalable indispen-sable pour fonder de nouvelles pistes de traitement biologique des effluents et des résidus solides. Ces recherches, couplées aux approches de génie microbiolo-gique, de génie des procédés et de génie automatique, sont à la base du dévelop-pement, sous contraintes économique et environnementale, de nouveaux bioprocédés de traitement dont l’intérêt est incontestable dans le contexte actuel. C’est l’ambition de cet ouvrage que d’aborder toutes les facettes de ce jeu d’acteurs impliqué dans la méthanisation des résidus et les technologies asso-ciées. Au-delà des informations les plus récentes qu’il apporte, ce livre pourra aussi emmener le lecteur averti, ou celui qui souhaite comprendre les questions du moment, dans un espace où la technique cède la place à la réflexion, à l’imagination : ce n’est pas le moindre mérite de cette contribution académique coordonnée par l’expert incontestable du sujet qu’est René Moletta. Qu’il soit vivement remercié, comme l’ensemble des rédacteurs de cet ouvrage pour avoir intelligemment apporté cette très utile synthèse des connaissances. Marion Guillou, présidente-directrice générale de l’INRA.
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit
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La réalisation d’un ouvrage sur la connaissance de la méthanisation est impor-tante pour l’époque que nous traversons. Nous faisons face à une crise énergétique annoncée : problèmes d’élimination des déchets, et pénurie d’eau (notamment potable) qui se fait déjà sentir dans des zones qui d’ordinaire, n’avaient pas trop de soucis de ce côté-là. Il faudra cher-cher et trouver des solutions adaptées qui contribueront à répondre partiellement ou totalement à des besoins. La méthanisation apporte des solutions élégantes pour contribuer à la gestion de ces problèmes. C’est unprocessus naturelque l’homme cherche à comprendre, à domesti-quer pour le faire fonctionner plus vite, et répondre à des fonctions bien précises : élimination de la matière organique sous forme solide ou dissoute dans l’eau tout en produisant de l’énergie ! Dans le domaine industriel, le traitement des effluents par méthanisation a été largement appliqué dans de nombreux pays. C’est aussi le cas en France et notamment dans les industries agroalimentaires. Dans la filière déchets, en général, les grands pays européens, autres que la France, ont largement appliqué la méthanisation et elle a été souvent au centre d’une politique d’énergies renouvelables. Cela s’est traduit par exemple, par une large application de production de « biogaz » dans les fermes en Allemagne ou de nombreuses unités centralisées au Danemark. Le relèvement du prix d’achat de « l’énergie verte » en France a relancé l’intérêt de ce type de traitement pour les déchets. Il s’ensuit un regain d’intérêt pour ce processus. Il s’applique bien sûr en de grosses unités mais maintenant, le marché se dirige aussi vers la mise en place de petites unités qui ont des critères de mise en œuvre spécifiques. Ce livre est donc proposé dans une période où la diffusion des connaissances dans ce domaine est particulièrement importante. © Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit
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La méthanisation
Objectif de l’ouvrage L’objectif de cet ouvrage est d’apporter une vision, aussi globale que possible, sur les connaissances actuelles dans le domaine de la méthanisation de la matière organique. Il aborde non seulement les connaissances de base, les applications industrielles et agricoles, mais aussi les différentes « niches » où ce processus peut trouver sa place pour apporter, ou contribuer à des solutions. C’est dans le domaine de la protection de l’environnement que la méthanisa-tion apporte sa contribution la plus significative et c’est donc dans ce domaine que l’on trouvera le plus grand nombre d’exemples industriels. Le niveau universitaire a été choisi comme guide. Cet ouvrage servira aussi d’élément de réflexion et d’information pour l’ingé-nieur qui aura à faire des choix stratégiques et technologiques pour gérer les rejets de son usine. Il est donc destiné aussi à être un élément d’aide à la décision.
Structure de l’ouvrage L’ouvrage est divisé en cinq parties divisées en 17 chapitres. La première partie est dédiée à la place de la méthanisation dans le milieu naturel et à la connaissance du processus. Le premier chapitre s’intéresse à la pertinence des réponses que peut apporter la méthanisation dans un contexte de développement durable de notre planète. Par sa spécificité et ses performances elle permet non seulement d’économiser de l’énergie pour éliminer la DCO et la DBO des effluents par exemple (si on la compare aux boues activées), mais elle le fait avec une plus grande rapidité tout en produisant de l’énergie sous forme de méthane. L’homme, ici, n’a rien inventé et n’a fait que copier la nature. Le second chapitre nous parle de la présence de la méthanisation dans le milieu naturel. C’est un domaine que nous, technicien du traitement des eaux et des déchets, connaissons assez peu mais il est riche d’enseignement et d’idées. Le chapitre 3 aborde les aspects biochimiques et microbiologiques qui régis-sent le processus. Il est suivi bien sûr par le chapitre 4 qui décrit les problèmes et les caractéristiques de sa mise en œuvre par l’homme. Le chapitre 5 est à lui seul la seconde partie. Il aborde les aspects législatifs qui sont liés à la mise en œuvre de cette technologie. Dans le domaine de l’envi-ronnement c’est un aspect important mais nous verrons que cette législation n’est pas très spécifique à cette technologie. La troisième partie est dédiée aux stratégies et aux traitements des effluents et des déchets. Le chapitre 6 aborde la technologie des digesteurs pour traiter les effluents industriels. Dans ce domaine l’imagination humaine a été fertile. Elles sont variées et performantes. Il est suivi par un chapitre (le chapitre 7) sur le traite-ment des effluents urbains dans les pays chauds. Ce type d’application n’est pas réaliste dans nos pays tempérés. Mais il contribue fortement à l’assainissement
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