valorisation des boues de la station d'Épuration en biogaz

8/19/2019 Valorisation Des Boues de La Station d'Épuration en Biogaz

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Choix du procédé de digestion anaérobie

GENERALITES SUR LA CHAINE DE DIGESTION ANAEROBIE

a méthanisation ou digestion anaérobie est un procédé naturel de transformation de la matière

rganique en énergie par des bactéries en l‛absence d‛oxygène. Conduite dans des enceintes

onfinées – appelées digesteurs – à l‛intérieur desquelles les réactions de fermentation sont

ptimisées et contrôlées, elle produit du biogaz composé majoritairement de méthane, tout en

éduisant de moitié le taux de matières organiques de nombreux déchets ou sous-produits

odégradables. Le résidu de la digestion (ou digestat) est stable, désodorisé, débarrassé en

ajeure partie des germes pathogènes.

a chaîne de digestion se divise en plusieurs postes :

l‛épaississement des boues avant digestion ;

le (ou les) digesteurs ;le stockage du biogaz ;

la déshydratation des boues après digestion.

remier maillon du traitement des boues après les phases de décantation, la méthanisation

acilite le traitement des boues quelle que soit leur destination finale : valorisation agronomique,

cinération, enfouissement en installation de stockage, et quels que soient les traitements

termédiaires appliqués : déshydratation, chaulage, séchage thermique, compostage. En effet, laéthanisation :

réduit de 40 % en moyenne les quantités de boues à traiter ;

élimine fortement les nuisances olfactives ;



produit un digestat stabilisé, débarrassé en grande partie des germes pathogènes (bactéries

ais aussi virus et parasites) et présentant un pouvoir fertilisant ;

réduit les teneurs en composés organiques volatils.

La digestion anaérobie dans la chaîne de traitement des eaux usées (Solagro ,2001)

n sortie des décanteurs et des clarificateurs, les boues sont introduites dans les digesteurs.

les y séjournent pendant 3 à 4 semaines. Les digesteurs sont des enceintes fermées, privées

oxygène. Ils sont maintenus à une température de 37 °C (ou 55 °C) et brassés pour maintenir

es conditions favorables au développement de micro-organismes. Plusieurs populationsactériennes vont se développer et transformer des substrats organiques complexes à longue

haîne carbonée en molécules simples à un seul carbone : méthane (CH4) et dioxyde de carbone

CO2). Il y a ainsi production de biogaz.

) LES PARAMETRES DE LA DIGESTION ANAEROBIE

e temps de rétention hydraulique :



e TRH ou temps de rétention hydraulique (temps de séjour moyen des boues) est le principal

aramètre de dimensionnement d‛un digesteur. Il est généralement de l‛ordre de 30 jours, ce qui

st un compromis entre l‛optimisation des performances de la dégradation de la matière

rganique et le volume du digesteur.

empérature :

a digestion anaérobie de la matière organique ne produisant pas significativement de chaleur, ilst nécessaire de chauffer les digesteurs pour maintenir une température compatible avec une

onne activité microbienne. Ce chauffage est assuré généralement en consommant une partie du

éthane produit. Pour limiter cette autoconsommation, les opérateurs isolent thermiquement les

gesteurs et préfèrent travailler en zone mésophile, c'est-à-dire dans un domaine de

empératures comprises entre 25 et 40°C. L'autoconsommation est alors de l'ordre de 15 à 25 %

u méthane produit (la digestion anaérobie est le seul procédé de traitement des eaux usées qui

ermette de tirer parti du potentiel énergétique de la matière organique tout en préservant une

rge part de son potentiel fertilisant). Il est possible de travailler en zone thermophile, entre

5 et 55°C, pour accroître les vitesses de biodégradation, donc la productivité en méthane et

éduire la taille des digesteurs. Cependant, cette approche exige une isolation thermique

ptimale, pour ne pas accroître l'autoconsommation, et est plus difficile à maîtriser. Dans tous

s cas, les variations brutales de température (plus de 1°C en moins d'une journée) sont à éviter.

H :

a zone optimale de pH pour la méthanisation est située aux alentours de la neutralité. Les

actéries méthanogènes sont fortement inhibées en dessous de 6. Les bactéries acidogènesupportent mieux les pH inférieurs à 6. Une chute de pH est donc le signe d'un

ysfonctionnement. Dans la plupart des cas, le pH est auto-régulé dans le digesteur avec des

aleurs optimales comprises entre 6,8 et 7,4 mais un ajout de bicarbonate de soude peut être

écessaire pour le maintenir.

harge organique entrante :

i le déchet est bien fermentiscible, il faut éviter les surcharges brutales (augmentation de plus

e 20 % en moins d'une journée) qui risquent de déséquilibrer le processus et d'acidifier le milieuar suite d'une trop rapide production d'acides gras volatils. Pour les déchets de biomasse (dont

teneur en carbone de la matière organique est environ 50% de sa masse sèche), on obtient

nviron 1 Nm3 de biogaz par kilogramme de matière organique dégradée.

xygénation et teneur en eau :

oxygène est extrêmement toxique pour les bactéries anaérobies strictes (acétogènes et

éthanogènes). Il est donc indispensable de protéger le milieu de toute entrée d'air. Une façon

mple de procéder est de travailler en système noyé (saturé en eau) dans une cuve avec un ciel

e faible volume. Les procédés de méthanisation sont donc spécialement adaptés pour les

échets très humides (teneur en eau supérieure à 80 %).



) LES DIFFERENTS TYPES DE DIGESTEURS

e digesteur, encore appelé fermenteur ou bioréacteur-anaérobie, est généralement constituéune cuve fermée, étanche à l‛air et de préférence isolée thermiquement de l‛extérieur dans

quelle les microorganismes se cotoyent pour dégrader chimiquement et biologiquement les

ffluents organiques et produire du biogaz. Le choix du digesteur varie en fonction du type de

échets à traiter et de l‛application visée. On peut également classer les digesteurs selon le mode

alimentation : batch ou continu.

n distingue plusieurs familles de procédés, avec des sous-familles et de très nombreuses

ariantes. Cependant la quasi-totalité des digesteurs d'effluents et boues industrielles sont deséacteurs à alimentation continue, que l'on classe par familles :

) Les digesteurs à cultures libres

e sont les réacteurs les plus anciens et les plus simples. On distingue :

les réacteurs infiniment mélangés dans lesquels le substrat est homogénéisé par brassage

écanique ou brassage au gaz ;

les réacteurs contacts dans lesquels la biomasse digérée est décantée et réintroduite en tête

e digesteur, de façon à augmenter la concentration en microorganismes. En effet la vitesse de

roissance des bactéries méthanogènes est lente : on cherche à les garder au sein des réacteurs

utôt que de les évacuer directement avec les boues ;

les réacteurs "piston" qui permettent de faire cheminer le substrat de façon progressive dans

digesteur, de l'entrée à la sortie. Ceci permet de garantir un temps de séjour minimal pour laotalité du substrat.

) Les digesteurs à cultures fixées

n autre moyen d'augmenter la concentration bactérienne consiste à permettre aux

icroorganismes de se fixer sur des supports. On parle alors de systèmes à cultures fixées. On

stingue :

les systèmes UASB (Upflow Anaerobic Sludge Banket ou lit de boues anaérobies à flux

scendant) : en utilisant la capacité d'autofloculation de la biomasse dans le réacteur et la

édimentation des granules, les flots bactériens sont équilibrés dans le réacteur par



édimentation avec le flux ascendant de l'effluent à traiter ;

les systèmes à culture fixe ou lit fixé : le réacteur contient un support statique inerte, minéral

u synthétique sur lequel viennent se fixer les bactéries ;

les systèmes à lit fluidisé : les bactéries sont fixées sur un support mobile, particules

ranulaires fines et poreuses comme le sable, maintenues en expansion et contrôlées par le flux

scendant rapide et régulier de l'effluent.

Les grandes familles de digesteurs en continu (source : www.lebiogaz.info, 2004)

) CARACTERISTIQUES DES DIGESTEURS

) Nombre de digesteurs pour une ligne de traitement



est possible de trouver sur une ligne de traitement de digestion anaérobie un ou plusieurs

gesteurs en série. Dans tous les cas est présent un premier digesteur, chauffé, brassé, où se

éroule l‛essentiel des phénomènes biologiques. Certaines stations sont équipées d‛un digesteur «

econdaire » (le premier est alors appelé « digesteur primaire ») non chauffé, brassé, avec

écupération du biogaz résiduel.

) Fonctionnement des digesteurs

es digesteurs comportent un volume dans leur partie haute où les boues à digérer sont

troduites depuis l‛épaississeur par pompage. L‛alimentation du digesteur (unique ou primaire)

eut se faire par temporisation (alimentation semi-continue) ou en continu. Le mode d‛extraction

épend de la configuration du système :

Lorsque plusieurs digesteurs sont montés en série, l‛alimentation de chaque ouvrage se fait en

énéral par surverse depuis l‛ouvrage précédent. Il est recommandé de pouvoir effectuer deemps en temps un soutirage des boues par le fond du digesteur.

L‛extraction des boues du dernier ouvrage vers la déshydratation se fait par pompage.

ous les digesteurs sont protégés contre les risques de surpression par une soupape de sécurité.

) Forme des digesteurs

existe plusieurs formes de digesteur. La plus répandue, en Europe continentale, est

aractérisée par un rapport hauteur sur diamètre environ égal à 1, un fond conique (pour faciliter

évacuation des sédiments) et un dôme conique ou bombé (pour résister à la pression). En

llemagne, les formes ovoïdes se sont développées pour les digesteurs de grande taille. Au

oyaume-Uni et en Scandinavie, on trouve des digesteurs « cylindriques » avec toit et fond plat.

Les différentes formes de digesteurs (Solagro ,2001)

) Les matériaux utilisés



es digesteurs sont généralement construits en béton avec une protection interne en résine

poxy. Pour les digesteurs de grande taille, l‛acier vitrifié s‛avère souvent plus compétitif même

il est peu utilisé en France. Seule la zone de variation du niveau des boues est sujette à

orrosion ; les parois en contact permanent avec les boues sont peu attaquées. Les canalisations

ont construites de préférence en acier inox, notamment celles soumises à des risques de

orrosion (canalisations biogaz). Les digesteurs sont isolés thermiquement, par 10 à 20 cm de

ine de roche ou laine de verre.

) Brassage des boues

est un point relativement délicat à maîtriser, car les matériels utilisés sont fortement

ollicités et l'état physique du déchet (solide ou boueux) rend l'agitation difficile. Pour les

échets boueux, l'agitation doit permettre d'éviter la décantation de particules denses, tout en

terdisant l'entrée d'air dans le digesteur. L'agitation peut être assurée par :

brassage mécanique à l'aide d'un dispositif immergé tournant lentement (20 à 50 tr/min) tels

ue vis tubés ou hélice immergée,

brassage hydraulique à l'aide de pompes adaptées (cas des déchets boueux),

brassage par injection de biogaz comprimé à la base du digesteur. On parle alors de bullage de

az : le gaz est comprimé (de 1 à 2 bars selon la hauteur du digesteur) puis injecté en fond de

gesteur par des cannes de distribution situées au centre du digesteur. Il remonte vers la

urface en entraînant la masse de boues, ce qui provoque un mouvement de convection importantt le brassage de l‛ensemble des boues.

Chauffage du digesteur

e chauffage des digesteurs se fait par un circuit externe de re-circulation : les boues sont

ompées depuis le fond du digesteur. Elles passent dans un échangeur « eau chaude / boues » ,

uis retournent vers la bâche d‛alimentation du digesteur où elles sont mélangées avec les bouesraîches, ce qui permet de réchauffer celles-ci et de les ensemencer en bactéries méthanogènes.

es échangeurs thermiques sont en général de type tubulaire, ce qui facilite leur entretien. Ils

ont alimentés, à contre-courant, par l‛eau chaude provenant d‛une chaudière biogaz, ou du circuit

e refroidissement d‛un moteur biogaz (cogénération).

) Le stockage du gaz

e stockage du gaz s‛effectue :

soit dans un gazomètre à cloche, composé d‛une structure en béton et d‛une cloche à virole qui



onte ou descend en fonction de la quantité de gaz ;

soit dans un gazomètre à membrane souple.

) PROCEDE RETENU POUR LE DIMENSIONNEMENT ET PARAMETRES CHOISIS

tant données la taille de la station d'épuration (600 Equivalent-Habitants (EH)) et les

echnologies envisageables, nous avons choisi de retenir les paramètres suivants pour la suite du

rojet:

un unique digesteur de type cylindrique en béton ;

un réacteur de type infiniment mélangé fonctionnant en continu (les technologies batch étantus difficiles à contrôler) ;

fonctionnement mésophile (températures de consigne de 37 °C) ;

brassage interne par injection d'une partie du biogaz produit ;

un Temps de Rétention Hydraulique (TRH) de 30 à 35 jours (que l'on pourra éventuellement

odifier par la suite en cas de surdimensionnement) ;

Schéma représentatif de la chaîne de digestion anaérobie choisie



Schéma du digesteur retenu (ARER, 2003)

es choix seront critiqués en fonction des résultats de pré-dimensionnement obtenus.

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http://hmf.enseeiht.fr/travaux/CD0405/beiere/4/html/index.htm

http://hmf.enseeiht.fr/travaux/CD0405/beiere/4/html/binome3/index3.htm

valorisation des boues de la station d'Épuration en biogaz

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