 Le Biogaz ?  3. Les technologies
3.1 La méthanisation
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3.1.1 Procédés
Les technologies de méthanisation peuvent être classées selon plusieurs critères.
On distingue plusieurs familles de procédés, avec des sous-familles et de très nombreuses variantes.
La quasi totalité des digesteurs d'effluents et boues industrielles dans le monde sont des réacteurs à alimentation continue, que l'on a coutume de classer par familles.
a ) Les digesteurs à cultures libres
Les plus anciens et les plus simples sont similaires aux réacteurs utilisés depuis plus d'un siècle pour le traitement des boues urbaines : ce sont les réacteurs dits '' à cultures libres ''.
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Dans les réacteurs ''infiniment mélangés'', le substrat est homogénéisé par brassage mécanique ou brassage au gaz.
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La vitesse de croissance de ces microorganismes méthanogènes est lente, d'où la mise au point de procédés qui permettent de les garder au sein des réacteurs plutôt que de les évacuer directement avec les boues. Les réacteurs '' contact '' sont une variante améliorée des infiniment mélangés : la biomasse digérée est décantée et réintroduite en tête de digesteur, de façon à augmenter la concentration en microorganismes.
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Les procédés '' piston '' consistent à faire cheminer le substrat de façon progressive dans le digesteur, de l'entrée à la sortie. Ceci permet de garantir un temps de séjour minimal pour la totalité du substrat.
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b ) Les digesteurs à cultures fixées
Un autre moyen d'augmentation de la concentration bactérienne, consiste à permettre aux microorganismes de se fixer sur des supports. Ces procédés s'appliquent à des effluents peu chargés en matières en suspension. Ces supports sont très variés.
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Un procédé développé au début des années 1970 consiste à utiliser le fait que la biomasse active forme des flocs ou granules, utilisables comme supports bactériens : c'est le procédé '' UASB '' (Upflow Anaerobic Sludge Banket, ou digesteur anaérobie à lit de boue à courant ascendant), avec décantation interne.
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Le procédé '' IC '' (Internal Recirculation) utilise également la biomasse granulaire comme support de bactéries, avec en outre une recirculation interne permettant d'améliorer le rendement de dégradation.
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Les supports peuvent être des matériaux de toute nature - plastique, céramique, matériaux fibreux… On parle de
· lits fixés si le support est statique (à flux ascendent, ou à flux descendant, de type lit bactérien),
· lits fluidisés ou circulants, lorsque le support est mis en suspension par la circulation de l'effluent.
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c ) Autres types de digesteurs
Il existe encore d'autres procédés comme les '' lagunes anaérobies '', ou les réacteurs hybrides (associant méthanisation et dénitrification)…
Les grandes familles de digesteurs en continu
3.1.2 Paramètres opératoires
a ) Concentration en matières sèches et matières en suspension
Les digesteurs destinés aux effluents, boues et lisier, utilisent la voie ''liquide'' : le substrat est pompable.
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S'ils sont solubles, avec peu de matières en suspension, comme les effluents liquides des industries, il est possible d'utiliser des technologies à biomasse fixée, offrant un faible temps de séjour.
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Pour ceux qui contiennt des matières en suspension, comme les boues et lisiers, on peut parler de voie '' pateuse '' avec des concentrations de l'ordre de 3 à 12 %. Les techniques employées sont généralement l'Infiniment Mélangé et, à un moindre degré, la technique '' piston ''.
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Les digesteurs destinés aux déchets solides peuvent utiliser la voie solide ou la voie liquide.
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Dans le premier cas, le digesteur travaille entre 25 et 35 % de matière sèche environ. Elle nécessite un volume moindre de digesteur (substrat plus concentré), mais une bonne maîtrise du pompage et du brassage.
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Dans le second cas, les déchets sont liquéfiés, souvent avec le liquide récupéré en sortie de digesteur, le digesteur travaillant au-dessous de 15 % de matières sèches. Elle est dérivée des technologies classiques de digestion de boues ou lisiers, tandis que la liquéfaction des déchets solides dérivent de technologies dérivées de l'industrie papetière. |
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b ) Température : mésophile / thermophile
La méthanisation se déroule classiquement à une température voisine de 35-37°C, obtenue en réchauffant le substrat avec le biogaz. Il s'agit des procédés mésophiles.
Les procédés thermophiles s'opèrent à 55°C. La flore microbiologique en jeu possède une vitesse de croissance supérieure, ce qui permet de réduire les temps de séjour en digesteur. La digestion thermophile améliore la fluidité des lipides (graisses). Cependant, elle est également réputée plus fragile.
D'autres températures de digestion sont possibles : certaines installations fonctionnent ainsi à 45°C.
Le choix du mode de température dépend du degré d'hygiénisation requis. Celui-ci est lié au couple temps de séjour - température. La digestion thermophile est considérée comme un traitement hygiénisant du point de vue des germes pathogènes, tandis que la digestion mésophile doit être précédée par une étape de pasteurisation, ou suivie par une étape de compostage.
c ) Critères de performances de la méthanisation
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Rendement de dégradation :
Il mesure le taux de dégradation de la matière organique biodégradable.
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Charge volumique du digesteur :
Elle se mesure en kg de matière organique (ou de DCO pour les effluents liquides : Demande Chimique en Oxygène) par m3 de digesteur et par jour.
Elle indique la charge nominale que peut accepter un digesteur pour un rendement de dégradation optimal donné.
La charge mesure la performance de la technologie de digestion.
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Rendement volumique (VVJ - volume par volume et par jour)
Mesuré en m3 de méthane par m3 de digesteur et par jour, c'est la synthèse des deux facteurs précédents, qui tient compte à la fois de la nature du substrat et de la technologie de digestion. Il mesure donc la performance d'un digesteur pour un substrat donné.
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Temps de rétention hydraulique (TRH)
C'est un paramètre opératoire, choisi pour assurer le meilleur compromis entre le taux de dégradation et le volume du digesteur. Un temps de séjour long permet un taux de dégradation élevé mais au prix d'un volume important.
Le TRH est compris entre 2 et 4 semaines pour des déchets solides ou pateux (comme les boues et les déjections d'élevage). Il peut être de quelques heures pour des substrats solubles très digestibles, comme certains effluents industriels.
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Exemple de quelques caractéristiques de systèmes de méthanisation
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