Vade_mecum_technique_de_la_biomethanisation 0307
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1. Vade mecum technique de la biom thanisation de biomasse humide pour les installations de puissance inf rieure 10 MWth Bureau d tudes IRCO Sprl adapt par DEECC Consulting Sprl Belgique I PRINCIPES G N RAUX DE LA BIOM THANISATION 1 2 PRINCIPES DE LA FERMENTATION ANA ROBIE 1 2 1 Les phases de la digestion ana robie 1 2 2 Conditions optimales pour la digestion ana robie 1 3 TYPES DE DIGESTEURS 1 3 1 Param tres techniques des digesteurs encore appel s fermenteurs 1 3 2 Classification sur base des charges accept es La fermentation faible charge ou l tat liquide La fermentation forte charge ou l tat solide 1 3 3 Classification sur base du principe de fonctionnement 1 4 DIMENSIONNEMENT DES DIGESTEURS 1 5 CAS SP CIFIQUE DES UNIT S DE BIOM THANISATION DE PETITE TAILLE EN AGRICULTURE 1 6 PRODUCTION DE BIOGAZ ET BILAN NERG TIQUE 1 7 Pourquoi construire une installation de production de biogaz 1 8 Conditions n cessaires pour envisager la mise en uvre d une installation de biom thanisation 14 15 I Principes g n raux de la biom thanisation 1 1 D finition La biom thanisation consiste en la d gradation de mati re organique en absence d oxyg ne digestion ana robie et l abri de la lumi re par l action combin e de plusieurs communaut s de micro organismes C est une technique qui conduit la production d un m lange gazeux appel biogaz d2. En fermentation faible charge le substrat au sein du digesteur est dilu de mani re ramener la concentration en mati re s che entre 5 et 20 Il faut un petit d bit d alimentation et un grand volume de r acteur pour viter le lessivage des m thanog nes dont la croissance est tr s lente Les charges volumiques maximales applicables sont de l ordre de 2 5 kg de DCO m j La fermentation faible charge a pour inconv nients principaux une forte demande en eau et une production importante de digestat La plupart des petites unit s de biom thanisation traitant les effluents agricoles sont faible charge La fermentation forte charge ou l tat solide En fermentation l tat solide l apport d eau est limit de sorte que la concentration en mati re s che soit maintenue au dessus de 20 Les charges volumiques appliquer peuvent atteindre 40 kg DCO m3 j Les temps de s jour hydraulique varient entre 2 et 3 semaines Au cours de la digestion forte charge 15 20 de la mati re organique initiale est transform e en biogaz 40 50 de cette mati re se retrouve sous forme de compost apr s un post traitement les 30 45 restant tant principalement pr sents dans la liqueur d extraction dont une partie est recircul e en amont du digesteur Les microorganismes n utilisent qu une toute petite fraction pour leur croissance Ceci pourrait cependant varier en fonction du type de substrat traiter Les
3. TRH Temps de r tention hydraulique moyen de l effluent dans le r acteur V Q j CV Taux de charge quantit d effluent par m de fermenteur et par jour Q M V kg m3 PV Production volumique production de biogaz par m3 de fermenteur jour G V ms m r B Production sp cifique production de biogaz par kg d effluent G QM E Taux d puration ou rendement quantit d grad e par quantit d effluent Mout Min 100 Tableau 1 Param tres techniques des digesteurs Les productions volumique et sp cifique sont des param tres compl mentaires La production volumique est un crit re technico conomique mettant en relation la production et le volume du fermenteur tel que d fini pour calculer l investissement C est une notion la fois simple calculer et fiable mais insuffisante pour d crire le 4 Bureau d tudes IRCO Spri adapt par DEECC Consulting Sprl Belgique fonctionnement d une installation La production sp cifique d un substrat connu suffit quant elle d finir l tat d avancement de la r action et juger la m thanisation en fonction des conditions de la fermentation Elle est moins sure que la production volumique car elle fait intervenir des param tres dont la mesure n est pas toujours pr cise mais est indispensable pour comprendre les r sultats du digesteur 1 3 2 Classification sur base des charges accept es La fermentation faible charge ou l tat liquide
4. nergie brute produite en kWh par tonne de mati re fra che entrante 60 de m thane dans le biogaz 5 000 4 500 4 000 3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 500 0 o L D 2 L SW SO L L HE D XS E D E LE LE gt E US SN SE EE UE S EE ES ST PE S D S E L S L L eS x 3 L L A Sy N D S e LS w L X L e x LS SE S EE e SS xL L L S L L L L L L L X PE S S E JX S P X P S S S ge L S y N VW D L S S VY P Y g L LS S S EL S 9 E E VF F S 9 S S L lt P P S e E ENS N RS L xO QY lt e x 13 Bureau d tudes IRCO Spri adapt par DEECC Consulting Sprl Belgique 1 7 Pourquoi construire une installation de production de biogaz 1 7 1 Int r ts de la biom thanisation 14 Production d nergie thermique et lectrique L nergie thermique peut tre utilis e pour couvrir les besoins nerg tiques en cuisson dans les m nages et les structures sociales cole h pitaux prisons L lectricit produite dite lectricit verte peut tre autoconsomm e ou revendue Elle est r mun r e via d une part le prix de vente si revendue et d autre part la vente des certificats de r duction d missions Diminution des missions effet de serre Lors de la biom thanisation le m thane
5. limination se fait par exemple par passage sur une colonne de chlorure de calcium ou par lavage l eau puisque le CO est tres soluble 878 cm3 l 20 C au contraire du CH4 34 cm3 l a 20 C Quant au H25 il est pi g par passage du gaz sur de la limaille de fer formation de Fes On obtient des quantit s de biogaz tr s diff rentes selon le type de d chet organique introduit dans le digesteur En effet les d chets riches en mati res grasses et riches en mati res s ches donnent des productions de biogaz plus importantes Jusqu pr sent la plupart des installations agricoles produisent le biogaz par la fermentation du lisier produit sur l exploitation De plus en plus de proc d s permettent maintenant d associer d autres d chets organiques au lisier Le rapport cotit rendement de ces installations dites de co digestion est nettement meilleur que celui d une simple installation de fermentation du lisier Les principaux substrats pouvant subir une fermentation ana robie sont repris a la figure 4 Les productions de biogaz sont extraites des publications de Weiland 1997 Kuhn 1995 Boudali et Debouche 2000 Gerin 2000 CEFE 1993 Luxen 2002 Production de gaz CH4 Cat gorie de mati res lisiers Litre kg Mati re Organique Hydrate de carbone 790 50 Graisses 1250 68 Prot ines 700 71 10 Bureau d tudes IRCO Sprl adapt par DEECC Consulting Sprl Belgique Lisier de bovin
6. nutritifs persistent En outre la viscosit moindre de ce r sidu facilite son pandage Economie d engrais min raux et de produits phytosanitaires Le lisier dig r peut effectivement remplacer en totalit ou partie de l engrais min ral Bureau d tudes IRCO Sprl adapt par DEECC Consulting Sprl Belgique 1 7 2 Inconv nients de la biom thanisation Le principal inconv nient de la biom thanisation r side dans la lourdeur des investissements consentir qui malgr des frais de fonctionnement tr s faibles 2 de l investissement sont conomiquement assez dissuasifs Le biogaz est un gaz hautement inflammable et n cessite de ce fait un certain nombre de mesures de s curit La biom thanisation ne constitue pas une solution d finitive aux probl mes de la charge polluante des levages En effet les exc dents en azote et phosphate provenant des levages ne sont pas limin s et le volume des effluents n est diminu que de 10 20 1 8 Conditions n cessaires pour envisager la mise en uvre d une installation de biom thanisation Disposer continuellement de mati res organiques lisier fumier purin plantes nerg tiques d chets verts de mani re suffisante et constante Il y a lieu de disposer de syst mes de stockage suffisants et autoris s Disposer d un produit entrant dont la mati re s che doit avoir au moins 10 et ce via l apport de mati res organiques exog nes l exploita
7. principaux avantages du syst me sont la rapide stabilisation de l effluent et le volume r duit du digesteur Cependant en raison de la forte concentration les effets de certains param tres tels la pr sence importante de sels ou l accumulation des AGV sont plus s v res La quasi totalit des r acteurs fonctionnant suivant le principe de digestion forte charge et actuellement commercialis s ont t con us pour le traitement des d chets municipaux 5 Bureau d tudes IRCO adapt par DEECC Consulting Sprl Belgique 1 3 3 Classification sur base du principe de fonctionnement A Digesteurs phase unique Les syst mes de digestion en continu L alimentation du digesteur se fait par le sommet ou lat ralement Une partie du r sidu au bas du r acteur est recircul de mani re favoriser une homog n isation de la mati re au sein du r acteur Les petites installations de biom thanisation fonctionnent g n ralement suivant ce principe Les syst mes de digestion en batch Les syst mes de digestion en batch fonctionnent par alimentation discontinue Le r acteur est inocul charg ferm et gard le temps de la digestion Le percolat de digestion est recircul au sommet dans le but de maintenir un contenu en humidit homog ne Une fois la digestion termin e le r acteur est ouvert vid et rempli nouveau avec du substrat Le syst me a l avantage d tre simple mais il n cessite un post traitemen
8. sultant de la conversion des lipides et des prot ines Les bact ries responsables de l acidogen se sont extr mement diverses ana robies stricts ou facultatifs Parmi ces bact ries on retrouve Clostridium Klebsiella Enterobacter Erwinia Streptococcus Les produits de l acidogen se sont convertis en ac tates CH3COO et en hydrog ne 112 au cours de la seconde phase dite ac togen se Cette phase est r alis e par des bact ries dont Pelobacter carbinolicus Synthrophobacter wolinii Synthrophomonas wolfei Le m tabolisme de ces bact ries n est cependant possible que si l H2 produit y compris celui de l acidog n se est limin au fur et mesure La pression partielle du milieu en H2 doit toujours tre inf rieure a 10 1 Pa H2 lt 10 Pa En revanche cette pression partielle ne doit pas tre inf rieure a 0 1013 Pa car il faut un minimum de H pour r aliser la r duction du CO en CHa En d finitive on doit avoir 0 101 Pa lt H2 lt 10 1 Pa 2 Bureau d tudes IRCO adapt par DEECC Consulting Sprl Belgique BIOMASSE fumier lisier d chets organiques purin plantes nerg tiques d chets organiques de l industrie agroalimentaire boues de step Mati res organiques fraiches Hydrolyse et acidog n se Mati res organiques solubilis es Ac tates et hydrog ne Substrat dig r DIGESTAT Figure 1 description des diverses phases de la b
9. 17 Bureau d tudes IRCO Sprl adapt par DEECC Consulting Sprl Belgique e a ration suffisante du local ou du canal et suppression des sources inflammables en cas d utilisation de conduites de gaz avec raccords amovibles e protection contre la corrosion e les conduites de gaz doivent pr senter une pente par rapport au s parateur S parateur La vidange de vapeur doit se faire sans que le biogaz ne s chappe dans l espace Il existe un dispositif qui garantit qu aucun biogaz ne s chappe du s parateur lors de la vidange ce sont les sas ou les conduites d vacuation qui conduisent l ext rieur sous forme de circuit ferm Sur les purgeurs de compresseur fermeture hydraulique la colonne d eau doit pouvoir atteindre au moins le double de la pression de fonctionnement Installations lectriques Protection contre la foudre Les installations lectriques doivent tre r alis es selon les directives de ASE Les cuves de fermentation et les r servoirs de gaz construits en surface doivent tre quip s d un dispositif de protection contre la foudre conform ment aux directives de l ASE Les quipements lectriques moteurs lectriques et le mode d installation doivent satisfaire les exigences de l Association suisse des lectriciens ASE ou toute autre norme en vigueur Lors de la mise en place des installations lectriques et du dispositif de protection contre la foudre il faut veiller la protection contre la corro
10. I pe Agitation brassage Th la Sand outlet Figures 3 digesteurs A Caract ristiques continu biomasse libre m lang m sophile Param tres temps de r tention hydraulique de 10 20 jours production de biogaz 0 8 1 2 m3 m3 de r acteur jour rendement de DCO 40 de La Farge 1995 B Caract ristiques continu biomasse libre m lang m sophile Param tres volume 300 production de biogaz 400 1200 m3 j Folkecenter 2000 8 Bureau d tudes IRCO adapt par DEECC Consulting Sprl Belgique Les digesteurs sont class s selon leurs propres caract ristiques technologiques qui sont e L approvisionnement l apport d effluents dans le digesteur se fait de mani re discontinue ou continue e La biomasse La flore microbienne pr sente dans le digesteur est soit libre soit fix e la flore libre se d veloppe principalement aux substrats teneur lev e en mati re solide La biomasse est apport e soit par recirculation des boues soit par ajout de nouvelles boues Les digesteurs utilisant cette technique sont dits de premi re g n ration la flore microbienne fix e se d veloppe sur un garnissage support immobile ou un lit fluidis support en suspension Il s agit des r acteurs de seconde g n ration Cette technique est plus productive Le m lange Il n est pas n cessaire pour que la fermentation s instaure
11. e du gaz gazom tres r servoirs sous pression doivent tre quip s de dispositifs de s curit qui emp chent d avoir une variation trop importantes de la pression Les obturateurs liquides titre de dispositif de s curit doivent tre plac s de telle mani re qu en cas de sous ou de surpression le liquide obturant ne d borde pas et que lorsque la sous ou la surpression disparaisse il reflue automatiquement La conduite d arriv e vers le dispositif de s curit en cas de sous ou de surpression ne doit pr senter aucune possibilit d obturation Ces dispositifs de s curit doivent tre con us et plac s de telle mani re que si du gaz venait s chapper il s chappe l ext rieur et non dans les b timents et dans les puits Les conduites d vacuation des dispositifs de s curit pour sous et surpression doivent d boucher l ext rieur au dessus du niveau du toit Dispositifs de s curit sp ciaux en cas de sous pression et de manque de gaz Le syst me doit tre prot g efficacement contre la d pression arriv e d oxyg ne Dans les installations qui travaillent en accumulation fonctionnement discontinu il faut pr voir des r servoirs de gaz de compensation Les pompes et les souffleries gaz ou les compresseurs doivent par exemple tre quip s de pressostats de pression minimale Des dispositifs de s curit permettent de garantir les 16 Bureau d tudes IRCO Sprl adapt par DEECC C
12. ent dans le digesteur 1 6 Production de biogaz et bilan nerg tique Le biogaz est essentiellement compos de CH4 et de CO2 mais contient galement d autres gaz en quantit beaucoup plus faible comme le montre le tableau 3 Gaz Concentration en 9 Bureau d tudes IRCO adapt par DEECC Consulting Sprl Belgique H2 1 3 N2 0 5 2 H S 0 1 0 5 CO 0 0 0 1 Tableau 3 Composition chimique moyenne du biogaz La valeur nerg tique du biogaz est essentiellement fournie par le CH4 Le pouvoir calorifique inf rieur PCI d un combustible est la quantit de chaleur d gag e par la combustion complete de l unit de quantit de combustible En effet le PCI du CHa est de 36 5 MJ m ou 9 94 kWh m Le PCI du biogaz est proportionnel a sa teneur en PCI biogaz Q 35 5 MJ m Q 9 94 kWh m o Q est la teneur en pourcent de dans le biogaz On peut donc estimer le pouvoir calorifique moyen du biogaz en sachant que sa teneur moyenne en CH4 est de l ordre de 60 21 9 MJ m ou 5 96 kWh m Le biogaz peut subir une puration la sortie du digesteur pour am liorer son efficacit nerg tique Celle ci tend liminer principalement le CO et le H2S Le CO2 tant non combustible le biogaz non pur est moins calorifique 18 a 25 MJ m3 selon la proportion de CO2 que le CH4 pur 35 5 MJ m La s paration du CO2 permet galement de diminuer le volume de stockage du gaz Cette
13. iom thanisation L H2 est normalement utilis par la troisi me communaut microbienne que sont les m thanog nes hydrog nophiles Methanobrevibacter et Methanobacterium pour r duire le CO2 en CH4 tandis que l ac tate est transform par les m thanog nes ac toclastes Methanosarcina Methanococcus et Methanosaeta en CHa La pr sence de sulfate 5047 dans le milieu peut modifier le flux du substrat disponible pour les m thanogenes En effet les bact ries sulfato r ducteurs peuvent oxyder une partie du substrat via principalement le H2 en utilisant le SO comme accepteur d lectrons Dans une telle situation le substrat est converti en sulfure 57 surtout si le pH du milieu est acide Equation 1 D gradation ana robique de mati res organiques Mati re organique MO nutrients Cellules neuves MO r sistante Biogaz H20 1 2 2 Conditions optimales pour la digestion ana robie La production de biogaz suppose des conditions particuli res de temp rature de potentiel d oxydo r duction de pH d absence d inhibiteurs de concentration en ammoniac NH3 et de rapport C N 3 Bureau d tudes IRCO Spri adapt par DEECC Consulting Sprl Belgique L ana robiose est une condition imp rative au d veloppement de la flore m thanog ne Le potentiel d oxydo r duction du milieu doit tre de l ordre de 300 mV Le pH optimal se situe autour de 7 Si le pouvoir tampon du milieu en fermentation est in
14. iv e de gaz en phases de veille Torch res gaz ou quipement de transformation suppl mentaire Il existe certaines r gles r gissant l vacuation de biogaz en cas de pannes des dispositifs de valorisation du gaz Ci apr s quelques pr cautions prendre pour tenir compte de la protection contre les incendies et les explosions le biogaz doit tre vacu au dessus du niveau du toit de mani re appropri e si l interruption de la valorisation du gaz dure plus de deux jours il est recommand de r gler ou de r duire l alimentation du r acteur dans la mesure o l installation le permet Si apr s que les mesures appropri es aient t prises pour r duire la production de gaz les quantit s de gaz d passent un d bit de 20 m h soit 480 m3 j il faut pr voir un autre consommateur de gaz p ex br leur torche Fonctionnement et entretien 19 Le fonctionnement et l entretien des installations de biogaz ne doivent tre confi s qu des personnes fiables et comp tentes Le constructeur doit fournir un mode d emploi et un guide de maintenance pr cis Les dispositifs de s curit doivent tre contr l s p riodiquement Avec les syst mes qui fonctionnent avec de l eau il faut viter la formation de glace en pla ant les installations en cons quence ou en abaissant le point de cong lation de l eau Lorsque la cuve de fermentation est ouverte pour vacuer les boues ou pour des r parations elle doit
15. mais il permet d homog n iser les conditions du milieu Le m lange permet de ma triser le transfert des mati res et d viter la formation non contr l e des volumes morts et des courts circuits l int rieur du r acteur Il permet d une part d optimiser l instauration et le r ensemencement de la flore ana robie et d autre part une multiplication des contacts entre le substrat dig rer et la flore fix e Il vite enfin les s dimentations incontr l es responsables de la diminution du volume utile du r acteur La temp rature Les fermenteurs sont chauff s et isol s thermiquement Le chauffage des fermenteurs s effectue g n ralement par circulation d eau chaude dans une jaquette p riph rique par une paroi chauffante ou par un serpentin immerg dans le fermenteur En ce qui concerne l isolation les mat riaux utilis s sont d origine synth tique polyur thane expans polystyr ne expans ou extrud ou naturelle laine de verre laine de roche terre argile granulaire expans e vermiculite Une annexe importante au digesteur est le syst me de stockage du biogaz mis Il peut tre volume constant et a pression variable dans ce cas le lieu de stockage est une cuve en acier ind formable Ou volume variable et pression constante il s agit de gazom tres cloches de ballons qui d termineront la pression du gaz d un ballon souple gonfl par le gaz soit directem
16. neurs en azote et ne joue donc pas de r le dans la r duction de la charge azot e Elle augmente cependant la proportion d azote min ral dans l effluent ainsi trait 7 Bureau d tudes IRCO Spri adapt par DEECC Consulting Sprl Belgique Par rapport l effluent de d part le digestat pr sente un rapport carbone azote plus faible principalement d l mission de carbone sous forme de biogaz Le digestat est plus pauvre en mati res organiques missions x x x s alcools acides CH CO c tones alc I ac k organiques esters KD Polym res y Monom res et oligom tes Alcools acides organiques c toncs esters hydrocatbones esters H lt _ Ac tate Y M thanol Fomate Sense M thylamines sor M thanog nes gt p Figure 2 processus de d gradation ana robie de la mati re organique se produisant lors du stockage des effluents d levage Il en existe de diff rents types et dimensions selon la nature solide ou liquide et la quantit de l effluent Le principe de base reste le m me Pour un digesteur de type conventionnel outre la cuve de fermentation l installation comprend une r gulation de la temp rature une sortie et une entr e du substrat une sortie de gaz et ventuellement un syst me de m lange et de brassage Figures 3 a et b B Biogaz 4 Gas an Substrat Manure K gt Effluent outlet
17. onsulting Sprl Belgique pressions de fonctionnement n cessaires au r cepteur Le d clencheur de s curit doit tre con u de telle mani re qu il stoppe la centrale thermique source d ignition avant que le dispositif de s curit anti sous pression du r servoir de gaz ne se d clenche et ferme la vanne magn tique d arriv e du gaz Les dispositifs de s curit en cas de sous et de surpression doivent tre prot g s des intemp ries et tropicalis s Dispositif anti retour de flammes Des dispositifs anti retour de flammes doivent tre plac s entre la cuve de fermentation et le r servoir de gaz ainsi qu avant chaque r cepteur Seules les armatures test es par des organismes reconnus devront tre autoris es Elles doivent tre install es selon les indications du constructeur en fonction des dimensions et de la distance les s parant de la source d inflammation potentielle Elles devraient pouvoir tre nettoy es et entretenues facilement Dispositifs d arr t Des dispositifs d arr t doivent tre plac s dans les conduites de gaz avant toutes les pi ces de l installation qui servent produire stocker traiter ou valoriser du biogaz Les principaux dispositifs d arr t doivent tre plac s dans des endroits faciles d acc s D sulfuration par apport d air dans les r servoirs de gaz des cuves de fermentation La pompe de dosage d air doit tre r gl e de telle mani re que le syst me de gaz ne pr sente auc
18. ont le gaz principal est le m thane CH4 pouvant tre utilis comme combustible et d un digestat recycl comme amendement agricole Ce document d crit les aspects techniques de la biom thanisation qui est de plus en plus fr quemment mise en uvre pour la valorisation des d chets domestiques et dont l application dans les exploitations agroindustrielles pourrait contribuer au d veloppement durable du secteur lectrique dans beaucoup de pays africains 1 2 Principes de la fermentation ana robie 1 2 1 Les phases de la digestion ana robie La digestion ana robie est catalys e par des r gimes de temp ratures plus ou moins lev es m sophile 30 40 C ou thermophile 40 55 favorables aux cin tiques biochimiques Sous l action de populations microbiennes la mati re organique subit des transformations successives jusqu la production finale de CHa D une mani re g n rale la d gradation de la mati re organique se fait en trois phases principales La premi re phase dite d hydrolyse et d acidogen se est assur e par des bact ries hydrolytiques Ces bact ries transforment la mati re organique complexe lipides cellulose amidon prot ines en compos s plus simples savoir des acides gras volatils AGV acide ac tique acide propionique acide butyrique et des alcools m thanol thanol On observe galement la production d une certaine quantit d hydrog ne 112 et de dioxyde de carbone CO2 r
19. qui est 21 fois plus nocif que le CO n est plus lib r de fa on incontr l e dans l atmosph re Une double conomie est r alis e d une part en r cup rant le m thane et d autre part en vitant les missions en CO r sultant de la combustion d nergie fossile Technologie respectueuse de l environnement Le d veloppement de la biom thanisation contribue remplir les objectifs fix s lors de la conf rence de Kyoto pour la protection du climat savoir r duire les missions de gaz effet de serre Am lioration de la valeur agronomique Le traitement par digestion ana robie des effluents d levage d abattoirs d industries agroalimentaires de d chets organiques etc permet de r duire sensiblement leur charge polluante et donc aussi les risques de pollution lors de son rejet en milieu naturel De plus la biom thanisation stabilise les effluents en liminant les nuisances sanitaires germes pathog nes et olfactives odeurs naus abondes ce qui constitue un avantage ind niable surtout lors de l pandage sur culture ou sur prairie La biom thanisation produit un r sidu qui peut tre valoris comme amendement organique La valeur fertilisante des effluents d levage m thanis s n est pas affect e et est m me parfois am lior e l azote s y retrouve en concentration relative rapport C N souvent plus lev e et sous forme plus assimilable par les plantes tandis que les l ments min raux
20. s 350 62 Lisier de porcs 400 62 Tableau 4 Production de gaz de diff rents substrats On constate une grande variabilit dans la production de biogaz par tonne de mati re entrante Ceci s explique par la composition de ces diff rents produits En effet les d chets riches en mati res grasses sont ceux qui donnent les valeurs de production les plus lev es 800 m3 tonne de graisses La composition des produits d composer se r percute galement sur la teneur en m thane teneur en nergie du biogaz Mais de toutes les caract ristiques des substances dig r es c est la teneur en mati res s ches qui constitue le facteur d terminant une teneur lev e en mati res s ches donnant des productions de biogaz plus importantes Sur base d un PCI de m thane de 9 94 kWh m3 et d une teneur en m thane de 60 il est estim la quantit d nergie brute produite par mati re entrante figure 5 11 Bureau d tudes IRCO adapt par DEECC Consulting Sprl Belgique 12 Figure 4 Quantit s de biogaz produit en m par tonne de mati re fra che entrante Bureau d tudes IRCO Spri adapt par DEECC Consulting Sprl Belgique 900 800 800 700 600 500 400 400 402 400 300 200 100 25 26 31 Nb s S L S L 8 L L S FE SL S S Q gt X lt O S lt X Figure 5 Quantit s d
21. s d accumulation des AGV en r acteur unique forte charge Les digesteurs phases s par es concernent principalement les installations de traitement des d chets solides comme la fraction organique des d chets m nagers ou certains r sidus d industries agroalimentaires C Digestions mixtes ou int gr es Il est bon de signaler qu un syst me mettant en oeuvre une fermentation ana robie forte charge suivie d un compostage a robie a t d velopp au d but des ann es 80 aux USA 6 Bureau d tudes IRCO adapt par DEECC Consulting Sprl Belgique Le principe du traitement consiste d abord faire subir au substrat organique une digestion ana robie Le sous produit de digestion est ensuite stabilis par l tape de compostage Cette seconde tape permet galement la d gradation de la fraction de substrat peu digestible par voie ana robie On retient des syst mes de traitements mixtes deux avantages principaux e r duction de moyens mettre en oeuvre pour le traitement du liquide issue du digesteur ana robie celui ci tant en grande partie utilis pour l humidification du compost e stabilisation quasi compl te du substrat organique en raison de la compl mentarit des deux syst mes en principe difficilement r alis e par l une et l autre m thode prise s par ment On peut retenir des syst mes mixtes qu ils ont l avantage de r cup rer de l nergie par rapport au compostage seul et qu il
22. s permettent une bonne stabilisation a r e des r sidus des digesteurs ana robies 1 4 Dimensionnement des digesteurs Le dimensionnement des r acteurs est fonction du proc d de fermentation employ Les l ments de base du dimensionnement sont la charge volumique Cv le temps de s jour hydraulique TSH et le temps de s jour de la biomasse TSB Les valeurs usuellement employ es pour ces param tres sont r sum es au tableau 2 Technologies Cv kg DCO ms j Fermentation l tat liquide 20 30 20 50 Fermentation l tat solide 20 40 10 20 10 20 Tableau 2 Param tres usuels de dimensionnement des principales techniques de fermentation ana robie des d chets solides Baeten et Verstraete 1993 1 5 Cas sp cifique des unit s de biom thanisation de petite taille en agriculture L avantage de cette digestion pour le traitement des effluents d levage est de r duire l odeur de ceux ci et de produire du biogaz pouvant servir de sources d nergie Ce proc d de traitement permet en effet de diminuer fortement la teneur en acides gras volatils principaux responsables des odeurs d sagr ables des effluents d levage Il permet galement de modifier de mani re plus ou moins importante les propri t s physiques liqu faction de l effluent et d augmenter aussi la valeur fertilisante par min ralisation partielle de celui ci Toutefois cette technique n entra ne pas ou tr s peu un abattement des te
23. sion Risques d incendie et d explosion interdiction de fumer Le risque d incendie et d explosion ainsi que l interdiction de fumer doivent tre signal s par des panneaux bien visibles A proximit imm diate des cuves de fermentation et des r servoirs de gaz il est interdit de fumer ou d approcher tout type de flamme Inspection de l installation Avant la mise en service l installation de biogaz doit tre inspect e par les autorit s responsables Un proc s verbal d inspection doit tre tabli et comprendre toutes les informations significatives Mise en valeur du biogaz Locaux quip s de moteurs gaz et de chaudi res Seuls les appareils test s par la SSIGE et reconnus par l AECA peuvent tre utilis s comme consommateurs chaudi re br leur moteur gaz etc Les appareils de chauffage jusqu 70 kW exigent un local dont la r sistance aux incendies est class e F30 T30 ceux qui d passent les 70 kW exigent un local de cat gorie F60 T30 La mise en place doit se faire selon les principes li s au gaz G1 ou les directives pour la construction et le fonctionnement de chauffages au gaz G3 de la SSIGE 18 Bureau d tudes IRCO Sprl adapt par DEECC Consulting Sprl Belgique Il convient d installer le moins possible d armatures dans les locaux o sont plac s les consommateurs La conduite de gaz doit tre pourvue d un dispositif d arr t command par le consommateur permettant d interrompre l arr
24. suffisant il peut r sulter une acidification du milieu par accumulation d acides gras volatils Cette acidification bloque la production de m thane L absence d inhibiteurs de fermentation est bien entendu de rigueur L utilisation massive d antibiotique ou de certains oligo l ments dans l alimentation animale inhibe la synth se du biogaz L exc s de sels conduisant une conductivit lev e ou la pr sence de certains m taux lourds toxiques cadmium mercure causent galement des dysfonctionnements dans le processus de biom thanisation Facteur de stimulation biochimique faible concentration l azote ammoniacal devient inhibiteur de m thanog n se au del de 3 g l Toutefois il semble que se soit la forme non ionis e qui soit toxique Certaines exp riences mettent en vidence une adaptation des micro organismes jusqu 5 g l d azote ammoniacal Le rapport C N ne doit jamais tre sup rieur 35 avec un optimum 30 En dessous la production de gaz sera plus lente 1 3 Types de digesteurs 1 3 1 Param tres techniques des digesteurs encore appel s fermenteurs Les digesteurs sont caract ris s par des param tres techniques pr sent s dans le tableau 1 Param tres D finition Unit V Volume utile du fermenteur ms G Biogaz produit par jour m s j Q D bit volumique de l influent m i j M Charge initiale concentration en kg de MS MO ou DCO dans kg m3 effluent
25. sulting Sprl Belgique a d estimer le gisement en mati res organiques qui pourrait faire l objet d une biom thanisation la conformit la qualit et la compatibilit de la biomasse humide mise en uvre b d tablir l origine des mati res en propre ou en apport exog ne d valuer le r gularit de l approvisionnement c d valuer les besoins en lectricit et en chaleur d de pr ciser la situation g ographique et juridique du lieu d implantation de l unit de biom thanisation e d valuer le niveau d loignement du r seau de distribution d lectricit 1 9 2 Etude de pr faisabilit Sur base des renseignements repris ci avant le porteur du projet e tudiera la conformit du projet au niveau de l urbanisme et du plan de secteur e calculera la production en biogaz estimera la production en lectricit et en chaleur et valuera la mani re la plus optimale de valoriser ces nergies e analysera les investissements n cessaires pour la mise en uvre de l unit de biom thanisation et tudiera les aides applicables au projet e valuera la rentabilit de l installation sur base des prix de revente de l lectricit de l conomie nerg tique engendr e d autres facilit s en vigueur dans le pays Certificat de r duction d missions etc Dispositifs et l ments de s curit Principes Les r acteurs pour biogaz cuves de fermentation digesteurs et les installations de stockag
26. t pouss des effluents Ces syst mes sont actuellement abandonn s Seules quelques tr s petites installations fonctionnent encore selon ce principe notamment en Chine au Bangladesh et en Afrique B Digesteurs phases s par es La fermentation phases s par es n est pr sent appliqu e que pour des cas de fermentation forte charge Elle est g n ralement con ue de fa on r aliser en continu les phases d acidogen se hydrolyse et acidification et de m thanog n se dans deux r acteurs diff rents mont s en s rie On parle de fermentation deux phases Chacune des phases est optimis e s par ment La phase de m thanog n se est usuellement r alis e par un filtre ana robie ou un r acteur lit de boue Les avantages de la fermentation phases s par es par rapport la fermentation phase unique sont surtout li s la possibilit d optimiser les cin tiques des r actions biochimiques et au volume r duit de digesteur pour une m me quantit de substrat traiter Elle permet aussi d augmenter la proportion de m thane dans le biogaz produit L inconv nient du syst me pourrait r sider au niveau de l limination par les m thanig nes hydrog nophiles de l hydrog ne produit au cours de la phase d acidification Le principe est malgr tout s duisant puisqu il permet une meilleure ma trise de la m thanog n se C est juste titre qu il est pressenti comme solution de l heure aux probl me
27. tion qui favorisent la production de m thane et r duisent la teneur en souffre graisses v g tales tontes de pelouses d chets v g taux Disposer de stockage permettant un temps de s jour de 20 40 jours de la mati re organique au sein du digesteur Etre technicien m canicien et disposer chaque jour d un minimum de temps 2 4 h pour alimenter contr ler et suivre l installation R aliser une installation compacte et bien isol e en veillant obtenir un maximum de s curit et tre situ proximit du site de valorisation de chaleur Etudier la conformit au plan de secteur relative la mise en place de ce type d installation en fonction du type et de l origine des mati res organiques utilis es Disposer de fili re de valorisation du digestat soit en propre via les terres agricoles soit via une commercialisation Avoir des possibilit s de valoriser l lectricit soit en autoconsommation soit via la vente au r seau Dans ce cas la proximit d un r seau de distribution est n cessaire Avoir des possibilit s de valoriser la chaleur soit par chauffage d habitation d exploitation porcine ou avicole ou la transformation d lectricit Etre dans les conditions pour b n ficier des aides I 9 D marches suivre en vue de mettre en uvre une installation de biom thanisation 1 9 1 Pr sentation du projet Il y a lieu au pr alable 15 Bureau d tudes IRCO Sprl adapt par DEECC Con
28. tre ventil e fond avant que quiconque y p n tre Pour tous travaux de soudure il convient de prendre les mesures de s curit n cessaires En p riode de fonctionnement la cuve de fermentation ne doit tre vidang e que dans la mesure o dans le stockage il y a toujours assez de gaz pour remplir le volume qui se lib re dans la cuve Bureau d tudes IRCO Sprl adapt par DEECC Consulting Sprl Belgique
29. un danger Le d bit ne doit pas d passer 4 6 de volume de biogaz produit durant la m me p riode Il faut choisir un type de pompe qui ne refoule pas de grosses quantit s d air Le responsable de l installation adapte r guli rement la quantit d air la quantit de gaz La conduite d arriv e dans le r servoir gaz doit tre quip e d un clapet anti retour qui emp che le gaz de refluer Conduites de gaz Les conduites et les armatures doivent tre fabriqu es dans les mat riaux appropri s Elles doivent tre faciles d acc s et plac es de pr f rence en surface En g n ral il convient d utiliser des conduites en acier Les zones quip es de conduites de gaz inoxydables soud es sur toute la longueur n ont pas besoin de mesures sp ciales en mati re d a ration ou de protection contre les explosions Les pi ces en plastique doivent tre prot g es contre l usure m canique et conviennent seulement pour les parties souterraines de l installation Le passage la conduite en acier non inflammable doit se faire en surface et l ext rieur des b timents A l int rieur des b timents les armatures et les conduites de l installation de gaz ne doivent pas tre en plastique Les conduites de gaz souterraines enterr es ou plac es dans des canaux requi rent l application des mesures de s curit suivantes utilisation de conduites de gaz sans raccords amovibles conduites soud es sur toute la longueur
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