Traitement anaerobie des déchets organiques - Fiche N°10

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Description

Les différents procédés - Valorisation énergétique et agronomique

Sujets

• Traitement
• Déchet
• Organique
• Ordures ménagères
• Recyclage
• Océan Indien

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• Publié par: CMaTerre
• Publié le: 09 décembre 2011
• Nombre de lectures: 746
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Extrait

FICHE No 10 TRAITEMENT ANAEROBIE DES DECHETS ORGANIQUES Gestion des déchets dangereux ProGeCo | ReCoMaP 01

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Fiche no10 13/1 T M A A B T L I E E   R D E E S S  TRAITEMENT ANAEROBIE DES DECHETS ORGANIQUES TABLE DES MATIERES...............................................................1 LISTE DE FIGURES...................................................................1 LISTE DE TABLEAUX.................................................................2 TABLEAU DES ABBREVATIONS..................................................3 FICHE NO 10.........................................................................4 TRAITEMENT ANAEROBIE DES DECHETS ORGANIQUES............4 1.Introduction.................................................................4 2.Principes de base...........................................................5 2.1.Fondamentaux.............................................................5 2.2.Les différents procédés...................................................10 2.3.Quel procédé pour la fraction digestible des déchets  ménagers et assimilés ?..................................................19 3.Valorisation énergétique et agronomique.........................25 3.1. Modélisation................................................................25 3.2. Estimation....................................................................26 3.3. Optimisations...............................................................27 3.4. Production de méthacompost et valorisation agronomique.29 4.Synthèse conclusive.......................................................30   LISTE DE FIGURES Fig 1:Principes biochimiques de la méthanisation......................7 Fig 2:Représentation schématique d'un biodigesteur à  biomasse fixée..............................................................11 Fig 3:Représentation schématique d'un biodigesteur à  biomasse libre..............................................................12 Fig 4:Représentation schématique d'un biodigesteur à  chargement séquentiel...................................................13 Fig 5:Représentation schématique d'un biodigesteur à  chargement continu......................................................14 Fig 6:Représentation d'un biodigesteur adapté au traitement des  DMA dans le contexte des régions cibles de ReCoMaP.........25 ProGeCo | ReCoMaP

Fiche no10 13/2 T M A A B T L I E E   R D E E S S  TRAITEMENT ANAEROBIE DES DECHETS ORGANIQUES  LISTE DE TABLEAUX Tabl 1: Analyse critique du potentiel de traitement par  méthanisation des DMA................................................19 Tabl 2:Valeurs critiques pour la méthanisation de déchets solides et liquides..........................................................20 Tabl 3:Valeurs représentatives de la fraction fermentescible des DMA......................................................................21 Tabl 4:Principales modalités de digestion méthanique applicables aux DMA......................................................................22 Tabl 5:Paramètres pour évaluer la conception d'un biodigesteur....24 Tabl6:Configuration simplifiée d'un biodigesteur de DMA (modalités)...........................................................24 Tabl 7:Configuration simplifiée d'un biodigesteur de DMA (caractéristiques)...................................................25 Tabl 8:Estimation des productions de biogaz avec une installation type.............................................................26 Tabl 9:Estimation du potentiel énergétique du biogaz sur une installation type.............................................................27 Tabl10:Composition type du biogaz...........................................28 ProGeCo | ReCoMaP

Fiche no10 TRAITEMENT ANAEROBIE DES DECHETS ORGANIQUES 13/3 TABLEAU DES ABBREVATIONS MOB TEC TC OCD MDD ED EEED BID SID AMD SMD DQTD PPVE OM DOM VOM SM PAP VAP ICP LP RNUP CVP REFIOM OR-OR STS TS HRT UHV LV Benne à Ordures Ménagères Centre d’Enfouissement Technique Centre de Traitement Demande Chimique en Oxygène Déchets Dangereux des Ménages Déchets Encombrants Déchets d’Equipements Electriques et Electroniques Déchets Industriels Banals Déchets Industriels Spéciaux Déchets Ménagers et Assimilés Déchets Ménagers Spéciaux Déchets Toxiques en Quantités Dispersées Emballages Vides de Produits Phytosanitaires Matière Organique Matière Organique Digestible Matière Organique Volatile Matière Sèche Porte à Porte Point d'Apport Volontaire Pouvoir Calorifique Inférieur Poids Lourd Pneumatiques Usagés Non Rechapables Poly Vinyl Chlorure Résidus des Fumées d’Incinération des Ordures Ménagères Roll On – Roll Off Solides Total en Suspension Station de Transfert Temps de Rétention Hydraulique Véhicules Hors d’Usage Véhicules Légers ProGeCo | ReCoMaP

Fiche no10 TRAITEMENT ANAEROBIE DES DECHETS ORGANIQUES 13/4 1 Introduction Cette fiche vient conclure le chapitre concernant le recyclage des déchets organiques. Alors que les fiches N°8 et N°9 ont été consacrées au compostage, en tant que procédé de recyclage biologique permettant de transformer par voie aérobie des déchets organiques en compost, il sera ici question de la même intention de traitement des déchets par voie biologique, mais à la production de compost on va rajouter celle d'un bio carburant, le biogaz. En effet, le traitement anaérobie des déchets organiques, s'il est bien mené, permet non seulement de transformer les déchets en compost mais aussi en un gaz composé de méthane (CH 4 ) de gaz carbonique (CO 2 ) et de composés de l'azote ou du souffre. Le biogaz, en tant que sous produit de la digestion méthanique de substrats organiques est un gaz carburant, qui utilise l'air comme comburant de la même manière qu'un gaz fossile, et qui en s'oxydant produit de la chaleur. Le compost ou « métha-compost » ou encore digestat, issu lui aussi de la digestion méthanique, est un produit similaire au compost issu de l'oxydoréduction aérobie, mais plus riche en composés azotés. Autre différence, le métha-compost n'est pas un produit solide sec, il se présente toujours en phase humide, voire semi liquide quand il résulte de la digestion de lisiers ou de déchets en solution aqueuse, comme des boues de stations d'épuration. La prise de conscience du réchauffement climatique, dû aux gaz à effet de serre (en l'occurrence le méthane est un gaz à effet de serre 21 fois plus nocif que le gaz carbonique), la chèreté croissante et la raréfaction inéluctable des carburants fossiles, font aujourd'hui de la digestion méthanique, une des technologies les plus prometteuses non seulement pour le traitement des déchets organiques, mais aussi pour la production de fertilisants biologiques et surtout de bio carburant. Technologie prometteuse et efficace mais aussi plus complexe et coûteuse à mettre en oeuvre que le compostage aérobie, la biodigestion fait depuis quelques décades seulement l'objet de nombreuses recherches et applications à fort investissement technologique, surtout au stade industriel, mais comme on le verra, sa technicité ne lui permet pas de s'insérer dans tous les contextes. ProGeCo | ReCoMaP

Fiche no10 TRAITEMENT ANAEROBIE DES DECHETS ORGANIQUES 13/5 2 Principes de base 2.1 Fondamentaux La biodigestion s'adresse aux déchets organiques digestibles par voie anaérobie, et dans ces fiches techniques, nous nous intéressons spécifiquement à la fraction digestible des déchets ménagers ou assimilés, ce qui limite les applications. Ainsi, les déchets verts ligneux ne sont pas ou très peu digestibles, les écailles de poisson, les plumes, poils et cornes issus de micro élevages non plus. Par contre des papiers gras fins voire des cartons souillés avec des jus organiques peuvent le devenir en situation thermophile. Les résidus verts de l'ananas ne sont pas digestibles alors que son écorce et sa chair le sont. Les épluchures de légume, les résidus de viande et de poisson, de céréales ou de tubercules sont digestibles, les graisses et les huiles sont non seulement digestibles mais aussi extrêmement méthanogènes. Il faut aussi prendre en considération le fait que des matières ne provenant pas des déchets ménagers, telles que certaines boues de station d'épuration, les lisiers et fumiers, des effluents ou déchets industriels (abattoir, atelier de préparation du poisson, huileries ...) présentent un caractère de digestibilité très intéressant et qu'il convient de ne pas négliger. Finalement, la biodigestion est un procédé parfaitement viable dès lors qu'on est assuré d'intrants convenables, cela pose donc à nouveau la question de la collecte sélective et de l'apport volontaire. Mais aussi cela restreint le champ d'application des procédés de biodigestion. Le traitement de matières organiques par biodigestion est avant tout soumis à des contraintes biologiques et les techniques qui sont mises en oeuvre, comme pour le compostage « ne visent qu'a créer et maintenir un écosystème favorable pour des microorganismes particuliers ». En simplifiant à l'extrême on peut dire d'un biodigesteur qu'il accueille et qu'il entretient des populations de microbes strictement anaérobies qui sont amenés à croître et à se reproduire sur un substrat organique constitué de déchets, en y développant une activité de bio-oxydation, mais en l'absence de l'oxygène de l'air. ProGeCo | ReCoMaP

Fiche no10 3/61 TRAITEMENT ANAEROBIE DES DECHETS ORGANIQUES Ces populations microbiennes sont complexes et relativement variées mais on connaît assez bien leurs caractéristiques biochimiques et les grands traits de leur écologie. Elles se classifient généralement en trois groupes: Ÿ Les bactéries hydrolytiques et fermentatives. L'étape d'hydrolyse est réalisée par plusieurs groupes d'eubactéries  anaérobies strictes et facultatives dont la nature dépend de la  composition qualitative et quantitative de l'alimentation. Les principales espèces appartiennent aux genres Clostridium, Bacillus, Ruminococcus,Entérobacteroïdes, Propionibacterium et Butivibrio. Ÿ Les bactéries acétogènes. Au cours de cette étape, l'oxydation des substrats (surtout les acides propionique et butyrique et l'éthanol) est couplée à la formation d'hydrogène, de dioxyde de carbone et d'acétate. Elle représente l'activité de trois groupes de bactéries : les homoacétogènes des genres Clostridium, Acetobacterium, Sporomusa, Acetogenium, Acetoanaerobicum, Pelobacter Butyribacterium, Eubacterium...,les syntrophes des genres Syntrophobacter, Syntrophomonas, Syntrophus...et les sulfato-réductrices des genres Desulfovibrio, Desulfobacter, Desulfotomaculum, Desulfomonas... Ÿ Les bactéries méthanogènes. Les bactéries actives de cette dernière étape sont réunies dans un groupe qui leur est propre : celui des Archae. Elles possèdent, en effet, des caractéristiques spécifiques par rapports aux eubactéries et aux eucaryotes, notamment en ce qui concerne leurs coenzymes. Les Archae constituent un des trois statuts de règne primaire, avec les eubactéries et les eucaryotes. Ces trois communautés doivent constituer un écosystème équilibré pour que l'essentiel des équivalents réducteurs (atomes de carbone et d'hydrogène) produits comme déchets au cours de l'anabolisme bactérien (hydrolyse puis acidophile et acétogénèse) se retrouve finalement dans le méthane (méthanogénèse CH 4 ). ProGeCo | ReCoMaP

Fiche no10 13/7 Hydrolyse Acidogénèse Acétogénèse Acétate TRAITEMENT ANAEROBIE DES DECHETS ORGANIQUES Sommairement on peut représenter les trois phases du processus de biodigestion de la manière suivante (Les flux de carbone associés à chaque étape sont indiqués en %): M (P a r ti o è t r e e i   n o e r s g ,  a li n p i i q d u e e s   , c  s o u m c p r l e e s x ) e hy B dr a o c l t y é ti ri q e u s es Matière organique simple (Acides aminés, glycerol, osides, acides gras) Bactéries fermentatives Acides organiquesComposés neutre (lactates, propionates)(alcools, glycérol) Bactéries méthanogènes acétoclastiques Méthanogénèse par décarboxylation Bactéries acétogènes BIOGAZ par ré M d é u t c h t a io n n o   g d é e n  C ès O e 2 Figure 1: Principes biochimique de la méthanisation ProGeCo | ReCoMaP

Fiche no10 13/8 TRAITEMENT ANAEROBIE DES DECHETS ORGANIQUES La gestion de l'écosystème artificiel que constitue un bioréacteur anaérobie nécessite que l'on intervienne pour assurer certaines conditions physico chimiques essentielles; telles que le pH, la température et le potentiel d'oxydoréduction et les besoins nutritionnels. Hp eL Ÿ Le pH optimum de la digestion anaérobie se situe autour de la neutralité. Il est le résultat du pH optimum de chaque population bactérienne. Ÿ Celui des bactéries acidifiantes se situe entre 5,5 et 6, les acétogènes préfèrent un pH proche de la neutralité tandis que les méthanogènes ont une activité maximale dans une gamme de pH comprise entre 6 et 8. Ÿ Toutefois, la méthanisation peut se produire dans des milieux légèrement acides ou alcalins. La température Ÿ L'activité du consortium méthanogène est étroitement liée à la température. Deux plages de températures optimales peuvent être définies : la zone mésophile (autour de 35°C) et la zone thermophile (entre 55-60°C) avec une décroissance de l'activité de part et d'autre de ces températures. Ÿ La majorité des espèces bactériennes ont été isolées dans des environnements mésophiles, mais tous les groupes trophiques des étapes de digestion anaérobie possèdent des espèces thermophiles utilisant les mêmes voies métaboliques que les bactéries mésophiles avec des performances analogues. Il reste possible de travailler à des températures différentes des optima avec des performances plus faibles. Le potentiel d'oxydoréduction Ÿ Ce paramètre représente l'état de réduction du système, il affecte l'activité des bactéries méthanogènes. Ÿ Ces bactéries exigent en effet, outre l'absence d'oxygène, un potentiel d'oxydoréduction inférieur à 330 mV pour initier leur croissance. ProGeCo | ReCoMaP

Fiche no10 13/9 TRAITEMENT ANAEROBIE DES DECHETS ORGANIQUES Les besoins nutritionnels et métaboliques Ÿ Comme tout micro-organisme, chaque bactérie constituant la flore méthanogène demande un apport suffisant de macroéléments (C, N, P, S) et d'oligo-éléments pour sa croissance. Ÿ Les besoins en macroéléments peuvent être évalués grossièrement à partir de la formule brute décrivant la composition d'une cellule (C 5 H 9 O 3 N). Pour les bactéries méthanogènes, le milieu de culture doit avoir des teneurs en carbone (exprimée en DCO), en azote et en phosphore au minimum dans les proportions DCO/N/P égale à 400/7/1. Ÿ L'ammonium est leur principale source d'azote. Certaines espèces fixent l'azote moléculaire alors que d'autres ont besoin d'acides aminés. Les besoins en azote représentant 11 % de la masse sèche volatile de la biomasse et les besoins en phosphore 1/5 de ceux de l'azote. Ÿ Les bactéries méthanogènes possèdent de hautes teneurs en protéines Fe-S qui jouent un rôle important dans le système transporteur d'électrons et dans la synthèse de coenzymes. Aussi la concentration optimale de soufre varie-t-elle de 1 à 2 mM dans la cellule. Cette flore utilise généralement les formes réduites comme le sulfure d'hydrogène. Les méthanogènes assimilent le phosphore sous forme minérale. Ÿ Certains oligo-éléments sont nécessaires à la croissance des méthanogènes. Il s'agit plus particulièrement du nickel, du fer et du cobalt. En effet, ce sont des constituants de coenzymes et de protéines impliquées dans leur métabolisme. Le magnésium est essentiel puisqu'il entre en jeu dans la réaction terminale de synthèse du méthane ainsi que le sodium apparaissant dans le processus chimio-osmotique de synthèse de l'ATP. Ÿ Il existe des facteurs de croissance stimulant l'activité de certains méthanogènes : acides gras, vitamines ainsi que des mélanges complexes comme l'extrait de levure ou la trypticase peptone. En conclusion si l'on maîtrise aujourd'hui correctement le « macro- modèle » qui simule un processus de biodigestion, au point que l'on peut ProGeCo | ReCoMaP