CENTRE DE RECHERCHE SUR LA PROPRETE & L’ENERGIE
Guide méthodologique pour
l’exploitation d’unités de méthanisation
de déchets solides
Projet
METHAPI-Expertise
Pierre BUFFIERE, Matthieu CARRERE,
Olivier LEMAIRE, Javier VASQUEZ
Juillet 2007
Résumé
Guide méthodologique pour l’exploitation d’unités de méthanisation de déchets solides
Au cours de ces dernières années, le traitement de déchets solides par méthanisation s’est très
fortement développé en Europe. Malheureusement, le niveau de fiabilité de ce type d’installation n’est
pas encore optimum et de nombreux problèmes d’exploitation, d’origine mécanique ou biologique,
peuvent être rencontrés sur ce type d’unité.
Le présent guide, élaboré dans le cadre du projet LIFE ENVIRONNEMENT appelé METHAPI
EXPERTISE, a pour objectif de transmettre des données essentielles qu’il est important de prendre en
compte lors de la conception ou de l’exploitation d’une unité de méthanisation de déchets solides.
La compréhension de la technologie étant primordiale, la première partie de ce document définit la
méthanisation et présente les différents types de procédés pouvant être utilisés.
La deuxième partie du guide donne les préconisations essentielles pour faciliter l’exploitation de ce
type d’unité. A ce niveau, les considérations sont aussi bien d’ordre mécaniques que biologiques.
Enfin, une ultime partie s’attache à rappeler l’importance des consignes de sécurité à respecter et de la
formation du personnel exploitant.
Methodological guide for anaerobic digestion plant operation on solid waste
Summary
From the last decade, we are witnessing a great development of anaerobic digestion of solid waste in
Europe. Unfortunately, the level of reliability of these plants is not yet optimized. Multiple operating
problems, going from mechanical to biological, are reported.
The main objective of the present guide, produced during the LIFE ENVIRONMENT project called
METHAPI EXPERTISE, is to transfer the essential information necessary to take into consideration
during the design and/or operation of a solid waste anaerobic digestion plant.
The main element is the understanding of the technology. Therefore, the first part of the guide defines
anaerobic digestion and presents the different processes that could be used.
The second part of the guide proposes basic recommendations to simplify operation of this kind of
plant. Recommendations include mechanical and biological aspects.
Finally, the last part insists on the extreme importance of two key aspects in plant operation: respect of
safety rules and training of plant personnel.
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SOMMAIRE
I.
INTRODUCTION – PREAMBULE ...................................................................................................................5
A.
QU’EST-CE QUE LA METHANISATION ? PRINCIPE, GENERALITES, REACTIONS BIOLOGIQUES. .............................5
Qu’est-ce que la méthanisation ? ..........................................................................................................5
1.
a)
b)
c)
L’hydrolyse ........................................................................................................................................................6
L’acidogénèse ...................................................................................................................................................6
L’acétogénèse ...................................................................................................................................................6
(1)
Bactéries acétogènes productrices obligées d'hydrogène.............................................................................6
(2)
Bactéries mono ou homoacétogènes ............................................................................................................7
d)
La méthanogénèse............................................................................................................................................7
2.
Les réactions biologiques et la méthanisation.......................................................................................7
a)
b)
B.
LES PROCEDES EN PLACE – PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT ........................................................................8
Digestion humide / digestion sèche.......................................................................................................9
Mésophile / thermophile ........................................................................................................................9
Inventaire des différentes techniques de méthanisation .......................................................................9
1.
2.
3.
a)
b)
c)
d)
C.
D.
II.
Principe des réactions biologiques ....................................................................................................................7
Caractéristiques de la réaction de méthanisation..............................................................................................8
Les procédés extensifs......................................................................................................................................9
Digestion humide...............................................................................................................................................9
Digestion sèche ...............................................................................................................................................10
Les prétraitements...........................................................................................................................................11
LES DECHETS CONCERNES .........................................................................................................................11
LES SOUS-PRODUITS ET LEURS CARACTERISTIQUES ....................................................................................12
PRECONISATIONS ESSENTIELLES POUR L’EXPLOITATION D’UNITES DE METHANISATION......14
A.
ASPECTS MECANIQUES ..............................................................................................................................14
Réception – Pré-traitement..................................................................................................................14
1.
a)
b)
c)
2.
Objectifs / Attentes ..........................................................................................................................................14
Moyens / matériel ............................................................................................................................................14
Points critiques et préconisations ....................................................................................................................14
Alimentation .........................................................................................................................................15
a)
b)
c)
3.
Objectifs / contraintes à respecter ...................................................................................................................15
Moyens / matériel ............................................................................................................................................16
Points critiques et préconisations ....................................................................................................................16
Digestion..............................................................................................................................................17
a)
b)
c)
4.
Objectifs / contraintes à respecter ...................................................................................................................17
Moyens / matériel ............................................................................................................................................17
Points critiques et préconisations ....................................................................................................................17
Déshydratation ....................................................................................................................................18
a)
b)
c)
5.
Objectifs / contraintes à respecter ...................................................................................................................18
Moyens / matériel ............................................................................................................................................18
Points critiques et préconisations ....................................................................................................................18
Circuit biogaz .......................................................................................................................................20
a)
b)
c)
B.
Objectifs / contraintes à respecter ...................................................................................................................20
Moyens / matériel ............................................................................................................................................20
Points critiques et préconisations ....................................................................................................................20
GESTION DES SOUS-PRODUITS ...................................................................................................................21
Biogaz..................................................................................................................................................21
1.
a)
b)
c)
2.
Gestion des aléas de production (quantité/qualité) .........................................................................................21
Traitement .......................................................................................................................................................21
Valorisation ......................................................................................................................................................21
Digestat................................................................................................................................................22
a)
b)
3.
Traitement .......................................................................................................................................................22
Valorisation......................................................................................................................................................22
Effluents liquides .................................................................................................................................22
a)
b)
4.
Traitement .......................................................................................................................................................22
Valorisation......................................................................................................................................................23
Refus ...................................................................................................................................................23
a)
Traitement .......................................................................................................................................................23
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C.
1.
ASPECTS BIOLOGIQUES..............................................................................................................................23
Connaissance du déchet entrant.........................................................................................................23
a)
b)
2.
Paramètres clés de la digestion ..........................................................................................................27
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
3.
OUTILS DE SUIVI ........................................................................................................................................32
UNITES ET CONVERSIONS ...........................................................................................................................33
IV.
SECURITE ET FORMATION .....................................................................................................................35
A.
1.
2.
3.
V.
La température ................................................................................................................................................30
L’oxygène ........................................................................................................................................................30
L’humidité ........................................................................................................................................................31
OUTILS DE PILOTAGE ET SUIVI BIOLOGIQUE DE L’UNITE................................................................32
A.
B.
B.
Température....................................................................................................................................................27
Taux de MS .....................................................................................................................................................27
Temps de séjour ..............................................................................................................................................27
Charge organique............................................................................................................................................27
Production de biogaz et % de CH4 ..................................................................................................................27
pH ....................................................................................................................................................................28
TAC .................................................................................................................................................................28
AGV.................................................................................................................................................................28
Azote ...............................................................................................................................................................29
H2S ..................................................................................................................................................................29
Paramètres clés du compostage .........................................................................................................30
a)
b)
c)
III.
Paramètres......................................................................................................................................................23
Quelques valeurs de référence .......................................................................................................................25
SECURITE .................................................................................................................................................35
Biogaz..................................................................................................................................................35
Travail sous pression...........................................................................................................................37
Risque biologique ................................................................................................................................37
FORMATION ...............................................................................................................................................38
CONCLUSION............................................................................................................................................39
BIBLIOGRAPHIE ..................................................................................................................................................40
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I. INTRODUCTION – PREAMBULE
A. Qu’est-ce que la méthanisation ? Principe, généralités,
réactions biologiques.
1. Qu’est-ce que la méthanisation ?
La digestion anaérobie – ou méthanisation – est un procédé à la fois ancien et nouveau. Ancien car le
phénomène naturel de fermentation en gaz inflammable dans les marais a été identifié par VOLTA en
1776. Nouveau car la mise en œuvre industrielle de cette biotransformation remonte aux années 1950,
pour la digestion de boues, et au début des années 1990 pour les déchets.
La méthanisation a par ailleurs connu des stades de développement divers. Dans les années 70, à la
suite du premier choc pétrolier, elle a été l’une des voies envisagées par les pouvoirs publics pour
assurer une relative autonomie énergétique aux utilisateurs. Par la suite, son application a été surtout
concentrée sur la dépollution (en particulier des effluents issus des industries agro-alimentaires) en
raison de sa capacité à traiter des effluents concentrés en matière organique et de la faible production
de boues biologiques qu’elle engendre (3 à 5 fois moins que les stations d’épurations classiques, à
boues activées). En définitive, la méthanisation est désormais considérée comme une méthode qui
permet à la fois de récupérer de l’énergie et d’éliminer des déchets (ou d’en réduire le volume).
La méthanisation est un procédé biologique se déroulant en absence d’oxygène et au cours duquel la
matière organique est convertie en biogaz (composé principalement de méthane, CH4, et de dioxyde de
carbone, CO2). Ce sont principalement des bactéries et des archæ (micro-organismes proches des
bactéries) qui réalisent ces conversions. Cette transformation est complexe, car il s’agit dans le cas des
déchets de passer d’une forme solide (par exemple un morceau de carton) à une forme soluble (par
exemple des sucres ou des protéines) qui peut être utilisée par les bactéries.
En raison de cette complexité, la totalité des transformations n’est pas réalisée par une seule espèce,
mais par un ensemble (un consortium), au sein duquel chaque groupe réalise une partie du travail de
décomposition (Figure 1). Le schéma classique identifie quatre étapes de transformation : l’hydrolyse,
l’acidogénèse, l’acétogénèse et la méthanogénèse.
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M atière organique
(Sucres, Proteines, Lipides, etc… )
M icro-organism es hydrolytiques
et ferm entatifs
hydrolyse
acidogénèse
Alcools
Acides organiques
(sauf acétate)
acétogénèse
Acétogènes
H 2 , CO 2
Acétate
Hydrogénotrophes
Acétotrophes
m éthanogénèse
CH 4 , CO 2
Figure 1 : Schéma simplifié de la méthanisation.
a) L’hydrolyse
Cette phase concerne la dégradation de molécules organiques complexes en monomères. Les
composés tels que les polysaccharides (comme la cellulose), les protéines, les lipides sont hydrolysés
en sucres simples, en acides aminés et en glycérol et acides gras respectivement. Cette transformation
est assurée par des enzymes extracellulaires. La plupart des molécules solubles sont facilement
hydrolysables. Mais cette étape peut s’avérer délicate dans le cas des composés peu solubles ou
solides, comme c’est le cas pour les déchets.
b) L’acidogénèse
Cette phase, également appelée phase fermentative, transforme les différents monomères issus
de l’hydrolyse en acides organiques à courte chaîne (2 à 6 carbones) ; les principaux acides produits
sont l’acide acétique, l’acide propionique et l’acide butyrique. Comme son nom le suggère, la phase
d’acidogénèse se traduit donc souvent par une acidification du milieu. Elle est généralement rapide en
raison du fort taux de croissance des bactéries mises en jeu. D'autres co-produits sont également
générés comme le dioxyde de carbone et l’hydrogène, ainsi que de l’azote ammoniacal (sous forme
NH4+ ou NH3) dans le cas de l’hydrolyse des protéines.
c) L’acétogénèse
(1) Bactéries acétogènes productrices obligées d'hydrogène
L'étape d'acétogénèse recouvre la transformation d'un petit nombre de composés simples en
acétate, bicarbonate et hydrogène. Les bactéries qui réalisent cette étape sont désignées comme les
bactéries productrices obligées d'hydrogène (OHPA, Obligate Hydrogen Producing Bacteria).
Cependant, l’accumulation d’hydrogène bloque leur développement, et il doit être éliminé. Cette
élimination est réalisée soit par les bactéries méthanogènes consommant l'hydrogène, soit par les
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bactéries sulfato-réductrices (réduction des sulfates en sulfures). Le groupe des bactéries acétogènes
est souvent désigné sous le nom de bactéries syntrophes (de syn : ensemble et trophein : manger),
parce qu'elles fournissent à leurs partenaires métaboliques leur source de carbone ou leur énergie
(hydrogène, bicarbonate ou acétate). Les relations de syntrophie entre les espèces sont souvent
considérées comme une clef de voûte de la réaction.
(2) Bactéries mono ou homoacétogènes
Ces organismes ont une production exclusive d'acétate, soit à partir du bicarbonate et de
l'hydrogène, soit en hydrolysant des composés à chaîne plus longue. Elles contribuent à la régulation
de l'hydrogène dans le milieu, notamment en utilisant l'hydrogène des bactéries productrices obligées.
d) La méthanogénèse
Les espèces méthanogènes utilisent principalement comme substrats l'acétate, le dioxyde de
carbone et l'hydrogène. Leur taux de croissance est plus faible que celui des bactéries acidogènes.
Classées parmi les archæ, elles présentent des différences significatives avec les autres bactéries, tant
du point de vue de la structure que du matériel génétique. Les espèces méthanogènes les plus courantes
sont généralement réparties en deux groupes :
•
Les méthanogènes acétotrophes responsables de 70 % de la production de méthane dans
les digesteurs utilisant l'acétate.
•
Les méthanogènes hydrogénotrophes qui utilisent l'hydrogène et le dioxyde de carbone.
2. Les réactions biologiques et la méthanisation
a) Principe des réactions biologiques
Une réaction biologique est en fait une des conséquences de la vie d'un organisme. Ce dernier
réalise une fonction (sa reproduction) qui demande de la matière et de l'énergie. Il utilise pour
synthétiser de la matière la source de carbone et des compléments nutritifs (azote, oxygène,
hydrogène...) constituant son matériau cellulaire.
L'énergie est tirée de la réaction réalisée conjointement. Une réaction biologique est donc une
transformation chimique réalisée par une espèce vivante. L’objectif d’une réaction biologique est pour
l’espèce vivante, de bénéficier de l’énergie dégagée par cette réaction pour se nourrir.
On considère généralement que la vitesse d’une réaction biologique de consommation d’une
substance chimique est reliée à la vitesse de croissance de l’espèce vivante qui la consomme. Pour
mesurer cette vitesse, on utilise la notion de taux de croissance (noté µ). La vitesse de croissance d’une
espèce de concentration X est proportionnelle au taux de croissance :
dX
= μX
dt
Chaque réaction biologique possède son propre métabolisme, c’est-à-dire la manière dont
l’énergie tirée de la réaction est répartie entre croissance et maintenance. Les transformations
anaérobies comme la méthanisation sont des processus peu énergétiques au cours desquels les
rendement de croissance sont assez faibles par rapport aux transformations aérobies. A titre d’exemple,
100 grammes de sucre seront transformés en 50 grammes de bactéries en mode aérobie, et en 10
grammes seulement en mode anaérobie.
Pour quantifier ce métabolisme, on parle généralement des rendements :
- le rendement de croissance d’une espèce est défini comme le ratio entre la quantité de
biomasse fabriquée au cours de la transformation et la quantité de substance consommée
par la même réaction biologique ;
-
le rendement en produit d’une réaction biologique est égal à la quantité de produit généré
par la réaction divisé par la quantité de substance consommée.
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7
b) Caractéristiques de la réaction de méthanisation
Comme dans toute réaction chimique, la transformation aboutit à des produits finaux. En
méthanisation, les produits finaux issus de chacune des phases peuvent être réutilisés par d’autres
espèces présentes dans le consortium : nous le voyons sur la figure 1, les produits de l’acidogénèse
comme les acides organiques servent à leur tour de nourriture pour les bactéries acétogènes. Il s’agit
donc, à proprement parler, d’une chaîne alimentaire basée sur l’utilisation maximale de l’énergie,
jusqu’aux produits finaux que sont les substances gazeuses comme le méthane et le CO2, qui ne
peuvent pas être utilisées comme source d’énergie en absence d’oxygène.
Au niveau global, la vitesse de la réaction de méthanisation dépend de nombreux facteurs. En
effet, étant donné le nombre important d’étapes dans le procédé, nous comprenons que ce sera l’étape
la plus lente qui ajustera la vitesse globale de la méthanisation. Pour la digestion des déchets, c’est très
souvent l’étape d’hydrolyse qui est la plus lente. Cependant, les étapes d’acétogénèse et de
méthanogénèse peuvent également se dérouler lentement.
D’un point de vue du bilan de masse, la méthanisation peut être schématisée selon la Figure 2.
Si nous reprenons les définitions précédentes, nous pouvons tenter d’expliquer les principaux
paramètres qui caractérisent la réaction globale de la méthanisation :
- le rendement en biomasse : il est généralement considéré que 5 à 10% (au maximum) de la
matière organique dégradée est convertie en biomasse ;
-
le rendement en produit (méthane) : il dépend de la composition du déchet ; toutefois, s’il
est exprimé par rapport à la DCO (demande chimique en oxygène) du déchet, alors le
rendement en méthane est constant (égal à 0.35 Nm3 de CH4 par kg de DCO éliminée), à
de très rares exceptions près.
biogaz
eau
+
Matière
organique
eau
méthanisation
Matière minérale
Matière organique
non biodégradable
biomasse
Matière minérale
Figure 2 : Seule la fraction biodégradable de la matière organique est concernée par la
méthanisation. La croissance des bactéries (biomasse) représente 5 à 10% de la matière organique
dégradée. La quantité de méthane produit dépend de la composition de la matière organique.
B. Les procédés en place – Principes de fonctionnement
Les procédés de méthanisation se distinguent selon plusieurs critères, comme la température de
fonctionnement (ambiante, régulée, mésophile, thermophile), la teneur en eau (procédés humides,
procédés secs) ou l’existence de plusieurs phases de traitement.
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1. Digestion humide / digestion sèche
Les systèmes de digestion humide présentent de grandes similarités avec les procédés de
digestion de boues d’épuration. Dans ces réacteurs, la teneur en eau est ajustée de manière à retrouver
une teneur proche de 10-15% de matière sèche. Les déchets sont préalablement mélangés dans un
réacteur pouvant éventuellement être adjoint à un traitement mécanique et/ou thermique (pulpeur), qui
permet de conférer au mélange la consistance souhaitée pour la méthanisation. Le digesteur
proprement dit est généralement une cuve agitée.
La digestion sèche est une technique qui permet de maintenir les résidus dans leur état
d’origine sans d’importants ajouts d’eau. Elle se caractérise par une teneur en eau comprise entre 20 et
40%, ce qui confère au milieu de fermentation une consistance non pas sèche, mais pâteuse (ou semisolide), avec une faible quantité d’eau libre. Le prétraitement nécessaire est simplement un criblage à
une taille de l’ordre de 40 mm, bien que l’on trouve également des installations fonctionnant avec des
tailles supérieures (80 voire 100 mm).
2. Mésophile / thermophile
La température influence principalement les vitesses de réaction au sens large, qu’elles soient
chimiques ou biologiques : nous trouvons ainsi des procédés mésophiles (35°C) et thermophiles. La
température améliore la vitesse de dégradation et de formation de méthane (mais pas la quantité de
méthane produit). Ainsi, les méthaniseurs pour la digestion de la fraction fermentescible des ordures
ménagères fonctionnent à des charges plus faibles et des temps de séjours plus longs en mésophile
qu’en thermophile. La conduite d’un réacteur thermophile permet une meilleure hygiénisation vis à vis
de certains germes pathogènes. Enfin, la digestion thermophile améliore la fluidité des lipides
(graisses). Cependant, elle est également réputée plus fragile face aux inhibiteurs, notamment l’azote
ammoniacal. La tendance récente en Europe est de construire plutôt des digesteurs thermophiles, si
bien qu’aujourd’hui ils constituent près de 40% du parc pour le traitement des déchets municipaux.
3. Inventaire des différentes techniques de méthanisation
a) Les procédés extensifs
Nous qualifions de procédés extensifs ceux pour lesquels c‘est la simplicité de conception qui a
primé sur l‘efficacité du traitement. A l‘extrême, le procédé le plus extensif de méthanisation est le
centre de stockage par enfouissement, dans lesquels la durée de dégradation est de l‘ordre de la
vingtaine d‘année. La société Ikos France commercialise une technique apparentée au stockage
permettant, par méthanisation et via un pré-traitement des déchets, de réduire à 4 ans la durée du
traitement. Les procédés extensifs „hors sol“ plus classiques fonctionnent par bachées, dans des
cellules fermées. Les plus connus sont les procédés BIOCEL (Pays-Bas) et BEKON (Allemagne), dans
lesquels le temps de fermentation des déchets avoisine 35 jours. Dans ces deux procédés, les déchets
(souvent des fractions organiques de déchets ménagers) sont placés tels quels dans des compartiments
fermés hermétiquement, et un recyclage de lixiviat peut être réalisé afin d‘accélérer la fermentation.
Un réchauffement de lixiviat recirculé peut également être réalisé pour augmenter la température du
traitement. Une variante particulièrement astucieuse, le procédé SEBAC, a été mise au point par le Pr.
David Chynoweth de l‘université de Floride (USA), dans lesquels trois réacteurs sont utilisés de
manière séquentielle avec des échanges et des recylcages de lixiviats. Cette variante permet de réduire
considérablement le temps de traitement des déchets (moins de 40 jours).
b) Digestion humide
Les procédés de digestion humide sont généralement précédés d’une étape de préparation des
déchets (mélangeur, pulpeur) avant l’entrée dans le réacteur de méthanisation proprement dit (Figure
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3). Les principaux procédés fonctionnant selon ce principe sont le procédé WAASA, le procédé BTA
et le procédé LINDE-KCA. La société espagnole ROS-ROCA commercialise également un digesteur
par voie humide (procédé BIOSTAB).
flottants
Biogaz
Déshydratation
Chauffage
Pulpeur
Eau
Digesteur
Compostage
lourds
Recyclage de l’eau de procédé
Eau usée
Figure 3 : Principe des digesteurs humides.
c) Digestion sèche
Parmi les procédés de digestion sèche, nous retrouvons trois types de technologies : deux
systèmes à réacteurs verticaux (le procédé DRANCO, à recirculation de digestat), et le procédé
VALORGA, mélangé par recirculation de biogaz), et les procédés horizontaux (KOMPOGAS et BRV)
dans lesquels l’écoulement est piston et où des agitateurs à vitesse lente confèrent un mouvement de
rotation à la matière en cours de digestion.
Sortie
Entrée déchets
1
Entrée déchets
2
Biogaz
Sortie
Entrée déchets
Sortie digestat
3
Figure 4 : Principales technologies de digestion sèche. 1 : à recirculation de digestat (DRANCO), 2 :
recirculation de biogaz (VALORGA) ; 3 : digesteurs pistons horizontaux (KOMPOGAS, BRV).
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10
d) Les prétraitements
L’objectif des prétraitements est de favoriser la décomposition et l’hydrolyse des solides pour
produire un résidu qui sera traité dans la seconde étape avec une meilleure efficacité. Très souvent, il
s’agira de liquéfier une partie de la matière organique afin de pouvoir utiliser un réacteur de
méthanisation «classique», comme ceux utilisés pour le traitement des eaux résiduaires.
• Prétraitements mécaniques et macération : il s’agit de pousser au maximum la diminution de taille
des matières solides, et d’en accélérer l’hydrolyse. La plupart des procédés humides déjà
mentionnés comportent une étape de ce type. Le procédé BRV (digestion sèche) est précédé d’une
étape de macération aérobie de deux jours ; le procédé ARROWBIO consiste en un prétraitement
mécanique poussé de séparation avant de réaliser la digestion en deux étapes de fermentation
(acidogène et méthanogène) dans des réacteurs de type UASB. Dans certains cas, l’étape de
macération est réalisée à haute température (70 ou 90°) afin de favoriser l’hygiénisation des
résidus.
• Procédés en deux étapes à biolixiviation : le principe est de réaliser, dans deux réacteurs différents,
l’hydrolyse et la solubilisation des matières organiques composites, et de récupérer le résidu
liquide (ou lixiviat) afin de l’amener vers un réacteur de méthanisation classique. Dans certains
cas, la fraction solide n’est pas complètement digérée et est réutilisée en compostage (exemple :
procédé BIOPERCOLAT de Wehrle Werk, Allemagne).
• Prétraitements physico-chimiques : il s’agit de réaliser une transformation de la nature chimique
des composés, ce qui leur permettra de devenir soit accessibles (biodisponibles) pour la digestion,
soit de les transformer en produits biodégradables. De nombreuses applications existent dans le
domaine du traitement des boues (ozonation, traitement thermique, ultrasons). Dans le domaine du
traitement des déchets, c’est principalement la biodégradabilité des composés lignocellulosiques
qui pose problème. Il a été montré que le traitement disruptif à la vapeur sous pression (5 minutes à
240°C) permet, en décomposant les fibres ainsi traitées, d’améliorer de près de 40% la quantité de
méthane produite [16] ; le procédé commercial correspondant est le système SUBBOR (Canada).
C. Les déchets concernés
La digestion anaérobie peut être utilisée pour le traitement voir une dégradation rapide et efficace de
différents résidus et en même temps la production de l’électricité. Les résidus susceptibles d’être
traités par méthanisation sont:
• Les ordures ménagères
Plus précisément la fraction fermentescible des ordures ménagères (FFOM). Cette fraction peut
provenir de la séparation mécanique ou de la collection sélective des déchets. La séparation de cette
fraction à l’origine génère une FFOM avec des meilleures propriétés pour la digestion anaérobie.
L’utilisation de la méthanisation pour traiter ces déchets s’est développée dans les dernières années.
Les principaux objectifs sont réduire la quantité des déchets envoyés vers d'autres traitements de
déchets solides et en même temps recycler les nutriments contenus dans ces déchets.
• Les boues de station d’épuration
Les boues sont produites durant le traitement des eaux résiduaires urbaines ou industrielles. Les
caractéristiques des boues dépendent de l’origine des eaux traitées (municipal, industriel, etc.…). La
digestion anaérobie est utilisée pour la stabilisation et la réduction de la quantité de boues. Le biogaz
produit couvre partiellement les besoins énergétiques de la station d’épuration.
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Dans le cas du traitement des eaux usées, nous pouvons distinguer 3 types de boues pouvant être
digérées par voie anaérobie.
- Les boues primaires : elles sont issues de la décantation des eaux usées en tête de process.
Ce sont les boues les plus fermentescibles pouvant être issues d’une STEP. Cette étape de
décantation étant située en amont du traitement, les boues sont très chargées en matière
organique biodégradable.
- Les boues secondaires : elles sont issues d’une étape de décantation située en aval de
bassins d’aération. Etant donné qu’une partie de la matière organique a déjà été stabilisée
au cours du traitement réalisé dans les bassins d’aération, la digestion anaérobie de ce type
de boue est moins intéressante du point de vue du rendement énergétique.
- Les boues mixtes : c’est un mélange des deux types de boues précédentes (Iaires +IIaires).
• Les déchets industriels
Les déchets provenant des industries papetières, agro-alimentaires et pharmaceutiques sont
susceptibles d’être traités par méthanisation avant épandage ou enfouissement. L’énergie récupérée
couvre souvent les besoins énergétiques du procédé industriel.
• Les déchets agricoles
Provenant des activités agricoles, voir déjections animales et résidus de cultures. Les principaux
objectifs sont la production d’énergie et l’amélioration des propriétés des produits utilisés dans
l’épandage. C’est une alternative utilisée plus souvent dans des pays avec une densité animale élevée.
• La biomasse
La culture de certaines «cultures énergétiques» avec le seul objectif de produire l’énergie, devient de
plus en plus une alternative énergétique pour certains pays.
D. Les sous-produits et leurs caractéristiques
• Le biogaz
Le biogaz est principalement constitué de méthane combustible et de gaz carbonique inerte. D’autres
gaz peuvent venir s’ajouter de façon minoritaire dans la composition du biogaz : hydrogène, sulfure
d’hydrogène (H2S). La teneur de ces gaz dépend étroitement du déchet traité et du degré d’avancement
de la méthanisation. Le pouvoir calorifique d’un combustible est la quantité de chaleur dégagée par la
combustion complète de l’unité de quantité de combustible. Le PCI est le pouvoir calorifique inférieur
lorsque l’eau produite par cette combustion reste à l’état de vapeur. Le PCI du méthane à 0°C à
pression atmosphérique est de 9,94 kWh/m3. Pour le biogaz, le PCI sera proportionnel à sa teneur en
méthane (par exemple, pour un biogaz contenant 70% de méthane, le PCI sera de 9,94 x 0,7 = 6,96
kWh/m3).
• Le digestat
Le résidu solide non digéré (ou digestat) est constitué de la fraction peu ou difficilement biodégradable
du déchet entrant. Dans le cas de résidus organiques, la méthanisation est analogue du point de vue des
transformations biochimiques à ce qui se passe lors de la phase de fermentation en compostage ; le
digestat peut ainsi être post-composté et aura, après maturation, des propriétés agronomiques
analogues à celle d’un compost qui aurait été élaboré avec les même produits initiaux. Dans le cas des
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ordures ménagères résiduelles, qui contiennent une teneur importante en plastiques et en métaux, la
valorisation agronomique est plus problématique.
En fonction du procédé de méthanisation choisi, du type de maturation prévu et des possibilités locales
de traitements des effluents, il est possible de déshydrater le digestat pour générer une fraction liquide
(jus) qui pourront en partie être re-circulés ou qui devront être traités avant rejet au milieu naturel et
une fraction solide (gâteau) qui sera envoyé en post-compostage.
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II. PRECONISATIONS ESSENTIELLES POUR L’EXPLOITATION
D’UNITES DE METHANISATION
A. Aspects mécaniques
1. Réception – Pré-traitement
a) Objectifs / Attentes
La méthanisation est une technique dont l’objectif est de dégrader la matière organique contenue dans
les déchets. Actuellement, il existe une grande diversité dans le type de déchets destinés à être traités
par méthanisation : déchets liquides, solides, agricoles, urbains, très riches en MO, chargés en
inertes…
Pour favoriser la dégradation de la composante organique de ces déchets, il est important de leur
appliquer un pré-traitement pour les adapter à un traitement biologique anaérobie en système clos et
ainsi tenter d’uniformiser et de régulariser l’entrant en digestion.
b) Moyens / matériel
Pour atteindre cet objectif, différents équipements peuvent être mis en place en amont de l’étape de
méthanisation.
Ces différents outils peuvent être répartis dans les catégories suivantes :
- Les traitements physiques : broyeurs, séparateurs balistiques, densimétriques ou optiques, cribles,
pulpeurs.
- Les traitements biologiques : module de pré-compostage , BRS.
La présence et la complexité de la chaine de pré-traitement dépendra du type de déchet à traiter et de la
technologie de méthanisation utilisée.
c) Points critiques et préconisations
ª Déferraillage : importance d’un déferraillage complet et rigoureux
Problème : usure prématurée / blocage des pièces mécaniques sur toute la chaîne du process
(pompes, vannes, vis, presse) en cas de déferraillage insuffisant.
Solution : utilisation d’un aimant suffisamment puissant ; respect d’une couche de déchets
suffisamment fine pour assurer un déferraillage complet.
ª Criblage : quelle maille retenir ?
Problèmes : - maille trop large : augmente la teneur en inertes, sans apporter systématiquement
davantage de MO.
- maille trop fine ou alimentation trop importante du trommel ou vitesse de rotation
du trommel trop rapide : une partie de la MO part en refus, augmentation du taux de refus et
diminution de la production de biogaz par tonne de déchets traités.
Solution : trouver une maille correcte selon le type de déchet à traiter et adapter la vitesse de
rotation de trommel ainsi que l’alimentation (pas d’essais réalisés à ce niveau). Pour les déchets de
type OMr, une maille de 30 à 40 mm en aval d’un broyeur paraît correcte. Si le criblage intervient
seul ou en amont d’un broyeur, il convient d’utiliser une maille supérieure (80 mm).
ª Pré-compostage (type Linde) : contrôle du temps de séjour
Problèmes : Lorsque le module de pré-compostage est plein et que dans les deux jours qui suivent ,
le digesteur n'a pas pu être alimenté , les déchets stockés dans le module de pré-compostage se sont
desséchées et prises en masse. Le durcissement d'une partie de la masse des ordures provoque des
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ruptures sur le plancher mobile. Ce problème apparaît dans la partie du plancher mobile la plus
proche des pistons qui l'entraînent.
Solution : Prévoir des systèmes d’évacuation par by-pass pour éviter une accumulation de produit
dans cette étape et ainsi maîtriser le temps de séjour dans cette partie du procédé.
ª Usure des équipements
Problèmes : Quand la matière entrante arrive avec un fort pourcentage d’inertes, en particulier avec
les déchets ménagers, on observe une usure des différents éléments mécaniques de l'installation tels
que le broyeur, les vis sans fin et les tamis. Exemple : Usure du broyeur - Les pales du broyeur
s'usent par frottement et abrasion causés par le verre.
Solution : Broyeur : Malgré des essais de fabrication de pales à partir d’aciers de duretés
différentes et divers types de coupes (à l'eau,...), la solution la plus économique retenue a consisté à
fabriquer des pales d’un acier anti-usure de 500 Brinell et de les remplacer toutes les 3-4 semaines.
Vis sans fin : Certains carters de vis sont équipés de renforts intérieurs, sur la partie en
contact avec la vis. Dans certains cas (type de vis particulier et déchet très abrasif), un
remplacement est nécessaire.
Détail d'usure d'une pale de broyeur
Détail d'usure de la protection de vis
Détail de la rupture du plancher
mobile
Il convient donc de bien intégrer l’ensemble de la chaîne de prétraitement (et l’ordre dans lequel les
équipements fonctionnent) pour le dimensionnement de chacun des équipements qui la compose.
D’autre part, pour un prétraitement donné, des tests préalables sont recommandés, afin d’identifier les
paramètres optimum de fonctionnement, c'est-à-dire ceux qui permettent d’obtenir le meilleur
compromis taux de MO / quantité d’inertes. Ces tests peuvent être réalisés par exemple à l’aide de
petits broyeurs, puis de tamis de différentes mailles, qui simulent le(s) trommel(s). Il faut cependant
veiller à réaliser ces tests sur des échantillons en quantité suffisamment représentatives : plus le déchet
est hétérogène, plus la masse d’échantillon devra être importante.
La réalisation de tests de potentiel méthanogène (BMP) amont – aval du prétraitement est un bon
indicateur de l’efficacité de cette étape.
Le prétraitement revêt une importance majeure puisqu’il conditionne la qualité et sa reproductibilité
dans le temps des déchets entrant dans le digesteur.
Enfin, la maintenance et le remplacement de certaines pièces paraissent obligatoires, en particulier
dans le cas des déchets ménagers.
2. Alimentation
a) Objectifs / contraintes à respecter
Le cœur du procédé étant biologique, la maîtrise de l’étape de pré-traitement devra permettre de
stabiliser le type de produit entrant dans le réacteur (en quantité et en qualité). En effet, toute
discontinuité dans le rythme ou la composition du produit alimenté est susceptible de créer une
instabilité du milieu réactionnel et donc une baisse du rendement de dégradation du système (donc du
biogaz produit).
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Il est donc primordial d’assurer une alimentation constante et en cas de déséquilibre dans le milieu
réactionnel, d’adapter au plus tôt la stratégie d’introduction du déchet dans le digesteur.
b) Moyens / matériel
Classiquement, deux systèmes peuvent être employés pour injecter le produit au sein du réacteur :
- une vis sans fin
- une pompe à béton
Les systèmes de vis seront préférentiellement utilisés dans le cas de déchets relativement secs et
solides (MS env 45 - 55 %).
Inversement, les pompes permettent d’injecter des produits plus fluides, déjà mélangés au digestat et
aux jus recirculés (MS < 40 %).
c) Points critiques et préconisations
ª Quantité de produit entrant
Problème : Absence de système de pesage en continu des produits entrants. Impossibilité de
réaliser des bilans matières fiables et difficulté de contrôler le flux entrant.
Solution : Il est important de monter dés l’origine un équipement de pesage dynamique efficace
afin de quantifier les entrées. Pour des raisons réglementaires et de traçabilité, il est nécessaire de
connaître précisément et à tout moment les quantités prises en charges dans le process.
ª Taux d’humidité
Problème : un taux d’humidité mal adapté est source de bourrages, de mauvaise entrée du déchet
dans le digesteur, puis de mauvais comportement mécanique et biologique lors de la digestion.
Solution : une mesure régulière du taux de MS des déchets doit être réalisée. Cette mesure permet
d’ajuster le débit de jus ou d’eau ajouté. Il faut également tenir compte de la teneur en MS des jus.
ª Taux d’inertes
Problème : une teneur trop élevée donne lieu à des phénomènes de compression (à laquelle peut
également contribuer la teneur en fibres) et peut engendrer une usure prématurée des équipements
(verre).
Solution : Action à réaliser au niveau du prétraitement : réduction de la teneur en inertes, par tri
balistique ou système équivalent, aspiration des légers…
Vis d’alimentation usée et tordue
ª Homogénéisation
Problème : une hétérogénéité du mélange déchet - jus et/ou digestat recirculé lors de l’alimentation
entraîne des problèmes mécaniques et diminue les rendements de production de biogaz dans le
digesteur (une partie de la matière organique ne pourra pas être dégradée car elle ne sera pas en
contact avec le digestat).
Solution : le système type pompe à béton, correctement dimensionné, s’avère très efficace, en
comparaison au système à vis sans fin. Il reste néanmoins beaucoup plus coûteux et nécessite un
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mélange préalable de la matière à dégrader avec le digestat, si cette matière est de siccité élevée (>
40 % MS).
Accumulation de déchets dans la vis d’alimentation
Bouchon vis d'alimentation du digesteur
Détail d'usure vis d'alimentation
3. Digestion
a) Objectifs / contraintes à respecter
La méthanisation, pour être la plus efficace possible, doit être réalisée dans des conditions physicochimiques fixées (absence totale d’O2, T°C, MS du digestat, C/N…) et stables.
L’homogénéisation du milieu est également considérée comme l’un des facteurs essentiels permettant
à un procédé d’atteindre ses objectifs de dégradation.
b) Moyens / matériel
Pour atteindre ces objectifs, les différents constructeurs de méthaniseurs présentent des solutions
technologiques dont les caractéristiques sont très variées.
- géométrie du réacteur : vertical / horizontal, section cylindrique/section carrée
- mode de fonctionnement : batch, semi-continu, continu
- maintien de la température : circuit de chauffage externe, chauffage de l’entrant avant
alimentation
- mode d’homogénéisation : pales, injection de biogaz, boucle externe au réacteur.
- Teneur en MS du digestat : liquide / solide
- T°C de fonctionnement : mésophile / thermophile
- Ajustement de l’humidité du mélange entrant : interne ou externe
c) Points critiques et préconisations
ª Teneur en humidité et inertes
Problème : formation de bouchons et de zones hétérogènes si les teneurs en humidité ne sont pas
maitrisées. Les conséquences sont des blocages mécaniques et des diminutions de rendement de
biogaz du fait du manque d’homogénéité (zones de contact avec les bactéries non optimisées).
Il est également possible de rencontrer des problèmes de liquéfaction dans le digesteur qui peut
donner lieu à un phénomène de formation de mousses.
Solution : préparation en amont du déchet : voir taux d’humidité et taux d’inertes de la partie
alimentation. Système de mélange efficace du contenu du digesteur permettant d’assurer à la fois
l’homogénéité du digestat et le renouvellement des contacts bactéries – matière dégradable. Un
contrôle quotidien des conditions de milieu dans le digesteur est souhaitable.
ª Géométrie du réacteur
Problème : en cas de présence de zones mortes, accumulation de déchets gênant la circulation dans
le digesteur et pouvant provoquer des bouchons.
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Solution : réacteur à géométrie sans angle vif, limitation des changements de direction dans le
réacteur, réduction des espaces entre vis et vannes, pour que le déchet ne stagne pas.
ª Recirculation du digestat
Problème : une mauvaise recirculation / agitation du digestat peut conduire localement ou sur
l’ensemble du digesteur à un phénomène de décantation inverse : la matière solide du digestat se
charge en biogaz (qui n’est pas évacué du fait de la mauvaise agitation) et rend cette matière plus
légère que les jus, qui décantent dans le fond du digesteur.
Solution : le digestat doit être agité régulièrement ou de manière continue et de manière efficace
afin d’éviter la formation de zones non agitées.
ª Recirculation des jus
Problème : répartition des jus de manière homogène sur la masse entrante : une mauvaise
répartition peut créer des zones sèches et des zones trop humides, sources de problèmes
mécaniques (et biologiques) ; mélange jus/déchets : avant d’entrer en digestion, le système de
mélange doit permettre d’incorporer de manière homogène le jus aux déchets pour obtenir une
matière uniforme à dégrader.
Solution : connaissance de l’équipement et adaptation du débit de jus au débit de déchets. La
préparation du mélange doit se faire avant l’introduction dans le digesteur.
4. Déshydratation
a) Objectifs / contraintes à respecter
Cette étape vise à séparer le digestat en 2 flux :
- Un flux liquide : sous réserve de leur qualité, les jus issus de déshydratation pourront être
re-circulés en tête de méthanisation pour adapter la teneur en humidité du déchet entrant et
ainsi approcher la valeur optimale fixée par le constructeur en terme de MS.
- Un flux solide : il est destiné à être composté et, en fonction de sa qualité finale, il pourra
être valorisé en agriculture.
La proportion et la teneur en MS de chacune de ces fractions devront être fixées en fonction des étapes
qui découlent de cette déshydratation. Ainsi, en fonction du type de maturation prévue, de la présence
d’unité de traitement des jus excédentaires, du type de déchet traité,… on pourra mettre en place des
systèmes plus ou moins perfectionnés permettant de produire une quantité fixée de sous-produits.
En digestion sèche, il est également envisageable de ne pas réaliser de déshydratation, mais cela
implique un compostage systématique, avec ajout de structurant.
b) Moyens / matériel
La déshydratation du digestat peut être obtenue en utilisant des équipements tels que des presses à vis.
Il est également possible de multiplier les étapes de déshydratation en ajoutant une centrifugeuse en
aval de la presse dont le rôle sera la séparation solide / liquide du jus de pressage.
Les centrifugeuses peuvent être envisagées seules dans le cas de digestion liquide.
Le type de déchets traités, le type de digestion mis en place, les réglages de ces différents équipements,
la complexité de la chaîne de déshydratation et l’ajout potentiel de floculant sont les paramètres qui
détermineront les proportions et la qualité des flux sortants.
c) Points critiques et préconisations
ª Extraction du digestat et alimentation du système de déshydratation
Problème : un système d’extraction mal conçu et peu flexible rend difficile l’équilibre des quantités
de produits entrants.
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Solution : Vérifier au cours de la phase de mise en essai industriel si l'extraction permet de disposer
d’une certaine marge de manœuvre par rapport aux conditions données par le fournisseur (débit de
sortie, diamètre des conduites d’extraction).
ª Gestion de l’alimentation du système de déshydratation.
Problème : difficulté à trouver un capteur fiable permettant de gérer les manipulations
automatiques sur le digestat (problèmes de colmatage de capteurs). Par exemple la gestion du
niveau de trémie, qui provoque une alimentation irrégulière de la presse et donc une variation de la
siccité du gâteau de presse en sortie.
Solution : trouver des capteurs fiables et résistants pour ce type de produit : le capteur radar peut
être une piste.
ª Efficacité du pressage
Problème : surproduction de jus entrainant des coûts d’exploitation supplémentaires. Trouver un
équilibre entre jus produits et besoin en humidité du gâteau de presse dans la perspective de son
post-traitement. Les jus produits ne peuvent pas toujours être recirculés en tête de traitement.
Solution : réglage de la presse (contrepression), ajout de polymères. La conception d’une unité de
traitement des jus efficace permet de garantir la ré-utilisation d’une partie de la fraction liquide et
de produire des effluents excédentaires conformes aux normes de rejets imposées.
ª Usure des équipements
Problème : La matière organique entrante en méthanisation peut contenir un pourcentage élevé
d'impropres (verre, pierres, …) ce qui entraîne une usure des équipements mécaniques, et en
particulier des presses.
Solution : Suivre un programme d’entretien et de maintenance exhaustif afin d'éviter les avaries
dans la mesure du possible (nettoyage et graissage en particulier). Le digestat est en effet
particulièrement corrosif et a la propriété de devenir très difficile à nettoyer lorsqu’il a séché.
Prévoir des pièces de remplacement pour les équipements critiques : vis, grille de pressage…
Détail du bloc de presse
Il est également utile de prévoir un système de by-pass permettant d’éviter l’étape de déshydratation.
En effet, la construction en série de cette étape entraîne un blocage de toute la chaîne de traitement
(sortie du digesteur, alimentation dans le digesteur…) pendant les périodes de maintenance ou
lorsqu’un dysfonctionnement important est observé sur la déshydratation.
Dans ce cas, un envoi direct en maturation (compostage), en mélange avec des DV (dont on aura
adapté le ratio pour l’occasion) permettra de pallier une teneur en MS trop faible du produit.
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5. Circuit biogaz
a) Objectifs / contraintes à respecter
L’objectif du réseau de biogaz est de canaliser le gaz produit lors de la dégradation des déchets jusqu’à
l’équipement de stockage qu’est le gazomètre, lui-même installé en amont des équipements de
valorisation énergétique.
b) Moyens / matériel
Le système doit impérativement être hermétique et maintenu en pression pour éviter toute infiltration
d’air.
Des systèmes d’arrêtes flammes sont disposés à différents points du réseau pour éviter tout risque de
propagation d’incendie.
Des systèmes de condensation (avec purge), de filtration ou d’épuration du gaz peuvent également être
installés pour épurer le biogaz et faciliter sa valorisation.
Bien évidemment, un système de mesure de débit, ainsi qu’un analyseur de gaz sont les équipements
minimum sur une installation industrielle permettant de suivre les rendements de dégradation.
c) Points critiques et préconisations
ª Tuyauterie
Problème : condensation dans le réseau
Solution : maintenir le réseau en température (calorifugeage) en portant une attention particulière
aux endroits sensibles (coudes, vannes, débitmètre, capteurs,…) – installation de zones de piégeage
de condensas réparties sur le circuit. Le piégeage des condensas doit être réalisé le plus en amont
possible des équipements sensibles (débitmètre, analyseurs, …)
ª Equipements
Problème : condensation et corrosion dans les appareils de mesure et de sécurité et dans les
équipements de valorisation ; formation de dépôts
Solution : prise en compte dans le choix des appareils et équipements. Calorifugeage au plus près
des équipements, piégeage des condensats, ajout de produits empêchant la formation de composés
corrosifs dans le gaz (ajout de FeCl2 dans le digesteur pour empêcher la formation de H2S).
Elimination du H2S par traitement biologique (Attention : dans ce cas, production de H2SO4 qu’il
faudra éliminer). Prévision de pièces de rechange (filtres, tuyaux souples…). Soufflage d’air en
partie supérieure du digesteur pour oxyder le H2S (formation de soufre). Démontage et nettoyage
régulier des dispositifs de sécurité de type arrête flammes.
Problème : mise en défaut de la chaudière due à la variation de la qualité du biogaz. Impossibilité
d’obtenir un fonctionnement continu et régulier.
Solution : les réglages de la chaudière doivent être adaptés en permanence à la qualité du biogaz.
Un contrôle automatique des vannes d’arrivée d’air, via une analyse du biogaz en amont
(régulation couplée au taux de méthane), permettrait de maintenir un fonctionnement continu.
Problème : le gazomètre est soumis en permanence à la pression et à la corrosivité du biogaz. Bien
qu’il soit conçu pour résister à ces conditions, le risque d’une déchirure de paroi existe.
Solution : Faire réaliser un contrôle régulier (minimum annuel) de cet équipement par une société
agréée.
Problème : le réseau de biogaz est souvent maintenu en pression par une garde hydraulique qui
joue également un rôle de sécurité (le biogaz bulle dans la garde hydraulique en cas de
surpression). Si son niveau n’est pas correctement ajusté, cela peut donner lieu à des surpressions
ou des pertes de pression dans le digesteur.
Solution : Contrôler régulièrement (tous les 3 mois) l’état et les niveaux de la garde hydraulique.
Ne pas négliger les aspects garantie et contrat de maintenance des équipements.
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B. Gestion des sous-produits
1. Biogaz
a) Gestion des aléas de production (quantité/qualité)
La production de biogaz dépend directement de l’alimentation en déchets réalisée (en quantité et en
qualité). Ainsi, une irrégularité dans la fréquence d’alimentation de déchets frais ou la variabilité
intrinsèque d’un déchet au cours du temps entraîneront des variations de volume de méthane produit
par tonne entrante. Ce type de variation peut être préjudiciable pour les équipements de valorisation
disposés en aval.
La présence d’un gazomètre doit permettre de minimiser ces fluctuations au niveau de l’entrée dans le
procédé de valorisation. En effet, la réserve de gaz ainsi constituée permet d’homogénéiser la qualité
du biogaz à un moment donné voire d’alimenter les circuits de valorisation dans le cas d’une
diminution de production.
b) Traitement
Quel que soit le mode de valorisation envisagé, la présence d’une très grande variété de constituants
dans le biogaz dont certains comme les organo-halogénés, l’hydrogène sulfuré et parfois même les
métaux lourds possèdent des propriétés corrosives et/ou toxiques, impose la mise en œuvre d’une
épuration plus ou moins poussée du biogaz, pour une valorisation optimisée sans risque pour la santé
et la sécurité des utilisateurs.
Une ou plusieurs étapes d’épuration sont donc nécessaires. Les techniques les plus courantes sont les
suivantes :
- Pré-compression du biogaz
- Décarbonation
- Désulfuration
- Déshydratation
- Déshalogénation
- Compression
- Contrôle de la qualité du biogaz traité
c) Valorisation
Plusieurs voies sont offertes dans le cadre d’une valorisation du biogaz. Il est en effet possible de
produire, de façon individuelle ou combinée :
- de la chaleur / vapeur.
- de l’électricité.
- du gaz épuré et enrichi pouvant être injecté dans le réseau de gaz naturel.
- des bio-carburants.
Le choix d’une voie de valorisation par rapport à une autre se fera au cas par cas, en fonction du
contexte local (par exemple : réseau de chaleur à proximité de l’unité de traitement), en fonction de la
quantité voire de la qualité du biogaz produit et des possibilités techniques et économiques du moment.
Les deux premières solutions citées ci-dessus sont les plus courantes. Au-delà du contexte local, la
technicité imposée par les deux dernières possibilités de valorisation est plus élevée (en effet, ces deux
solutions nécessitent une épuration très poussée du biogaz avant utilisation).
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2. Digestat
a) Traitement
Le digestat, en sortie de méthaniseur, est un produit relativement humide qui n’est pas complètement
stabilisé. En effet, les réactions de dégradation anaérobies ne permettent pas une dégradation totale de
la matière organique (MO) contenue dans les déchets. Certaines fractions de cette MO sont
inaccessibles aux bactéries anaérobies.
La déshydratation du digestat permettra d’extraire une partie de l’eau contenue dans celui-ci,
entrainant également une partie de la MO.
Malgré cet abattement de MO dans le digesteur et cette séparation d’une partie de la fraction liquide
lors de la déshydratation, le digestat ne peut être valorisé en agriculture en l’état.
Ainsi, lorsqu’un des objectifs du centre de traitement est la production d’un amendement organique, il
est indispensable d’appliquer une étape de compostage (encore appelée maturation aérobie) sur le
digestat. En fonction des procédés de méthanisation et des techniques de compostage, cette maturation
pourra être réalisée sur le digestat seul ou en mélange avec un autre produit. Cependant compte tenu de
la structure du digestat, il est fortement conseillé d’ajouter systématiquement un élément structurant du
type déchets verts. Dans le cas contraire, cette étape de maturation du digestat se résumerait à un
simple séchage.
Ce post-compostage permet :
- d’augmenter la MS du produit fini, ce qui améliore l’efficacité de la chaîne d’affinage final.
- d’améliorer la stabilité du produit en terminant la dégradation de la MO contenue dans le
résidu de méthanisation.
- d’hygiéniser le compost final.
- de donner une réelle valeur amendante au digestat
b) Valorisation
L’unique voie de valorisation du compost produit est l’épandage agricole. Pour cela, il faut donc que le
produit final soit compatible avec les différentes normes en vigueur (en France, NFU 44051 ou NFU
44095 si présence de boues). Cependant, il est à noter que le statut du digestat avec ou sans posttraitement est encore très mal défini aux échelles nationales et européenne.
Dans cette optique, la qualité finale du compost dépendra entièrement du type de déchet traité et de
l’efficacité des différentes étapes de tri (pré-traitement avant méthanisation et affinage final).
Dans le cas du traitement d’OM, il sera très délicat pour les composts produits de respecter les diverses
réglementation en vigueur du fait de la présence importante d’inertes et d’éléments trace métalliques.
Aussi, si ces polluants sont toujours présents après l’étape de post-compostage (du à une séparation
inefficace des inertes et/ou à une absence de collecte sélective en amont des déchets spéciaux des
ménages), un exutoire adapté (CET ou incinération) devra être prévu dès le montage du projet. Une
préparation poussée de la charge facilitera le respect de ces normes.
3. Effluents liquides
a) Traitement
Les excédents liquides provenant du pressage du digestat sont en partie recyclés dans la chaîne de
traitement pour l’ensemencement et l’humidification des déchets frais avant digestion ou
éventuellement pour contribuer au maintien des conditions hydriques de la phase de postcompostage.
La fraction excédentaire doit être épurée de façon à pouvoir être rejetée dans le réseau des eaux usées.
Si le rejet au milieu naturel ou au réseau n’est pas possible, des solutions de traitement lourdes devront
être mis en place (évapo-concentration, osmose inverse…).
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b) Valorisation
Les jus excédentaires peuvent difficilement être valorisés. Leur composition empêche un rejet direct au
milieu naturel.
Dans le cas du traitement de déchets organiques non souillés par des inertes (exemple : déchets
agricoles), un épandage en agriculture peut être envisagé.
4. Refus
a) Traitement
Les différentes étapes de tri du traitement (pré-traitement avant méthanisation et affinage du compost)
génèrent une fraction de refus qui, selon le type de déchets, peut être importante. Ces refus sont
essentiellement composés de matières grossières, peu riches en matière biodégradable. Les seules
solutions envisageables pour éliminer ce type de produit sont l’incinération ou l’enfouissement.
C. Aspects biologiques
1. Connaissance du déchet entrant
a) Paramètres
Matières sèches et matières volatiles
Nous ne soulignerons jamais assez l'aspect capital d'une bonne description des déchets devant
être traités. L'idée est de pouvoir, à partir de cette caractérisation, estimer comment le déchet va se
décomposer, et quelle quantité de biogaz (ou de méthane) il est susceptible de produire lors du
traitement. Les caractéristiques les plus importantes sont les teneurs en matières sèches et en matières
volatiles. Ces données sont obtenues respectivement par évaporation de l'eau dans une étuve, puis par
calcination des matières volatiles. Les matières volatiles sont assimilées à la matière organique, et,
rappelons-le, seule la matière organique pourra être éliminée par la méthanisation, à condition d'être
biodégradable. De plus, une faible part de la matière organique dégradée sera convertie en biomasse
microbienne (entre 5 et 10%). Concernant les matières volatiles, les conditions de leur détermination
(four à 550 °C) doivent inciter à la prudence dans l’interprétation de leur valeur. En effet, pour des
déchets tels que les déchets ménagers, des matières volatiles non biodégradables (plastiques) sont
prises en compte dans la mesure et peuvent la fausser de manière significative.
Demande chimique en oxygène (DCO)
Plus rare, cette mesure permet cependant, combinée avec le potentiel méthane (BMP) d’avoir
une bonne estimation de la biodégradabilité d’un déchet, et donc de prévoir à l’avance la quantité de
matière organique non dégradée qui sera présente dans le digestat (voir paragraphe BMP).
La mesure de la DCO des déchets nécessite un traitement particulier, car elle est d’habitude
réalisée sur des échantillons liquides. Nous préconisons un séchage doux (72 h à 60°C ou
lyophilisation) suivi d’un broyage de manière à réduire les déchets en poudre, puis une remise en
suspension dans de l’eau pour la mesure (avec prélèvement sous agitation).
Rapport Carbone / Azote / Phosphore
La méthanisation n’est possible que si les bactéries parviennent à se développer. Pour cela, il
est nécessaire qu’elles aient à leur disposition les éléments principaux qui leur permettront de fabriquer
leur matériau cellulaire.
Les éléments les plus utiles sont l’azote et le phosphore. Le ratio préconisé pour 100 grammes
de DCO dégradée est :
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- environ 2 grammes d’azote (N-NTK) ;
- environ 0.25 grammes de phosphore (P total).
En particulier, si le rapport DCO/N est supérieur à 80, alors il est possible que toute la matière
organique ne soit pas dégradée en raison d’une carence en azote. De même, si le rapport DCO/N est
inférieur à 40, alors il y a un excès d’azote qui peut entraîner l’accumulation rapide des formes
ammoniacales dans le réacteur, ce qui peut provoquer des inhibitions de réactions.
Dans le cas de co-digestion de résidus d’origines diverses, il faut donc faire particulièrement
attention à l’équilibre carbone / azote du mélange.
Le rapport C/N préconisé est situé entre 20 et 30. Le rapport C/P préconisé est situé entre 100 et 150.
D’autres éléments chimiques sont nécessaires au développement des bactéries, comme le fer
ainsi que certains éléments traces (oligo-éléments) ; cependant, il est rare qu’ils fassent défaut dans le
cas de la méthanisation des déchets.
Potentiel méthanogène (BMP)
Le potentiel méthanogène est une mesure fondamentale pour la caractérisation d’un déchet. Il
s’agit d’une détermination expérimentale de la quantité maximale de méthane qu’il est possible
d’obtenir avec un déchet donné. Appelée BMP en Anglais (Biochemical Methane Potential) cette
mesure est réalisée dans des conditions contrôlées (pas d’inhibition, présence des nutriments essentiels,
conditions idéales) de manière à obtenir une quantité maximale de méthane.
La valeur du BMP est généralement donnée en Litres de CH4 par gramme de matière volatile
en condition standard (0°C, 1013 mbar), ce qui correspond à des m3 par kg.
Il existe une relation intéressante entre le potentiel méthane et la DCO. En effet, un kg de DCO
dégradée produit toujours la même quantité de méthane (0.35 m3). Il est donc possible d’estimer la
biodégradabilité d’un produit selon la formule suivante :
Biodégradabilité = BMP /(DCOx0.35)
Cette information est intéressante à connaître, car elle permet d’estimer :
- la quantité de méthane qu’il est possible d’obtenir au maximum avec un déchet donné ;
- la quantité de matière organique résiduelle qui n’aura pas été dégradée et qui se retrouvera
dans le digestat ;
- de vérifier que le réacteur fonctionne convenablement (en comparant le méthane réellement
produit avec le BMP).
Caractéristiques particulières des déchets
Au cours de la méthanisation, des groupes de micro-organismes spécifiques vont dégrader la matière
organique. Ainsi, la production de méthane sera dépendante de la quantité de MO contenue dans le
déchet. Mais la quantité de MO présente dans le déchet à traiter n’est pas le seul paramètre influant sur
la quantité de méthane attendu. En effet, la qualité de la MO aura également un effet non négligeable
sur le déroulement des réactions de dégradation. Afin de mieux évaluer la « qualité de la MO »,
différentes méthodes d’analyses peuvent être employées. Parmi elles nous pouvons citer les analyses
suivantes :
- L’évaluation de la teneur en fibres :
La détermination de cet indicateur a pour objectif d’évaluer la complexité de la MO présente dans le
déchet. En effet, les micro-organismes présents dans le réacteur ne sont pas capables de dégrader des
composés complexes tels la lignine ou dans une moindre mesure la cellulose. Ce type d’indicateur
permet ainsi de savoir si un déchet organique peut être ou non destiné à de la méthanisation ou s’il doit
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être détourné vers un autre type de traitement (type compostage où les micro-organismes en jeu ont la
capacité de dégrader des molécules organiques très complexes).
La méthode employée pour définir le caractère « fibreux » de la MO est issu d’une méthode utilisée
pour analyser la digestibilité des fourrages : la méthode Van Soest (1963). Cette méthode décompose
la MO présente dans le déchet en 4 groupes (fraction soluble, fraction hémicellulose, fraction
cellulose, fraction lignine). Bien que la terminologie employée pour définir ces 4 catégories ne puisse
pas s’appliquer à tous les déchets, cette classification permet d’apprécier la complexité de la MO à
méthaniser.
En effet, un déchet dont la MO présente une part importante de « fraction soluble » sera considéré
comme facilement biodégradable, tandis qu’un déchet riche en composés assimilés à de la lignine sera
très peu dégradé par méthanisation.
- L’évaluation de la teneur en sucres, protéines et graisses :
Cette caractérisation permet également d’évaluer le potentiel de dégradation de la MO présente dans le
déchet à traiter. Il est possible de classer ces familles de molécules par potentiel croissant de
production de méthane : Protéines, Glucides, Lipides.
Au-delà des réactions de dégradation théoriques, la détermination de la qualité de la MO peut aider à
prévenir certaines inhibitions : un déchet gras ne pourra pas être digéré seul sous peine d’entrainer une
accumulation d’intermédiaires réactionnels, d’acidifier le milieu et à therme de bloquer les réactions de
production de biogaz.
Une teneur trop importante en protéines dans le déchet à traiter est à surveiller pour éviter une entrée
trop importante d’azote et de soufre dans le milieu. Ces éléments seraient alors transformés en NH3 et
H2S , inhibiteurs du système.
b) Quelques valeurs de référence
A titre d’information, voici quelques exemples de composition de différents déchets.
Caractéristiques physico-chimiques des déchets putrescibles contenus dans les
ordures ménagères en 1993 (source ADEME, 1998).
Analyse chimique de la matière organique putrescibles des ordures ménagères.
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Composition moyenne des boues urbaines fraîches en Europe (d’après Williams,
1998)
Les précédents tableaux fournissent quelques résultats d’analyses réalisées sur différents déchets. Les
valeurs présentées donnent un ordre de grandeur pour chaque paramètre mesuré et pour des catégories
de déchets définies. Lors de la réalisation d’une étude permettant d’évaluer la possibilité de traiter un
gisement par méthanisation, il est conseillé de caractériser précisément(cf paramètres cités ci-dessus)
le déchet en question. En effet, bien que les données bibliographiques donnent une idée du potentiel de
dégradation d’un déchet, la diversité des déchets (variation d’un pays à l’autre, d’une région à l’autre,
en fonction des saisons…) au sein d’une même catégorie rend très risquée l’utilisation brute de ces
informations.
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2. Paramètres clés de la digestion
a) Température
Le processus de dégradation anaérobie, pour se dérouler dans les meilleures conditions, peut se situer
dans 2 gammes de température : 35-40°C (mésophile) et 50-55°C (thermophile). Le contrôle de la
température au sein du digesteur doit donc être précis (système de mesure fiable et étalonné
régulièrement), régulier et représentatif de l’ensemble du digesteur. A partir des données recueillies, le
système de chauffage du digesteur doit être capable d’atteindre une température cible (double
enveloppe, chauffage du réacteur ou du produit alimenté…).
b) Taux de MS
Pour se développer correctement, les micro-organismes présents dans le réacteur ont besoin d’une
quantité d’eau élevée. Ainsi, une teneur en humidité de 50% dans le milieu réactionnel semble être un
minimum pour permettre le développement des populations bactériennes. Comme évoqué ci-dessus,
les procédés de méthanisation sont répartis en deux catégories : les procédés dits « humides » (< 15%)
et les procédés dits « secs » (>15%). Au-delà du choix technologique (la teneur en MS du digestat est
déterminante pour le choix des équipements utilisés), la variation de la teneur en MS du digestat a des
conséquences sur la charge organique appliquée au réacteur, l’effet des inhibiteurs de la méthanisation,
le temps de séjour…
c) Temps de séjour
Il s'agit là d'un autre paramètre fondamental de la digestion anaérobie. C'est le temps pendant lequel
une unité de produit à digérer demeure à l'intérieur du digesteur. Ainsi, jusqu’à une certaine limite,
plus le temps de séjour sera long, plus le rendement de dégradation de la MO sera important.
Ce n'est pas un paramètre isolé puisqu'il est lié à la charge organique, au taux de solides et à de
nombreux autres paramètres physiques directement liés aux caractéristiques du milieu et à la
configuration technique de fonctionnement du digesteur .
d) Charge organique
C'est la quantité de déchets que l'on peut introduire dans le digesteur. Elle est exprimée en kg de MO
par m3 de digesteur ou de digestat et par jour. Il est important de contrôler ce paramètre pour éviter des
problèmes de surcharge organique qui provoquent l'acidification du milieu. Les valeurs de référence
dépendent du type de process considéré, sec ou humide, mésophile ou thermophile et oscillent entre 2
et 12 kg MO / m3.jour.
e) Production de biogaz et % de CH4
La quantité de biogaz produit et sa teneur en méthane sont des paramètres clés que l’on peut obtenir
aisément via des débitmètres et des analyseurs de gaz installés sur l’unité. Il apparaît déterminant dans
une perspective de suivi de procédé et de valorisation correcte du biogaz de réaliser une acquisition en
continu de ces paramètres. Notamment, la corrélation entre les quantités de déchets alimentés et la
production de méthane associée permet de vérifier le déroulement de la dégradation d’un produit.
Lorsque la dégradation paraît insuffisante par rapport aux objectifs calculés à partir du potentiel de
méthane théorique (basé sur des tests BMP), il convient de réduire (voire stopper) l’alimentation et
d’identifier rapidement la source de cette baisse de rendement pour éviter une saturation du système.
Le retour à un niveau normal d’alimentation doit alors se faire progressivement.
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f) pH
La gamme de pH dans laquelle doit se dérouler la digestion anaérobie est définie en fonction des
conditions optimales de vie des différents groupes bactériens. La gamme optimale de fonctionnement
se situe entre 6,8 et 7,4 [4].
Lorsque le pH est trop bas (valeurs inférieures à 6,5), il est possible de le remonter en ajoutant de la
chaux. Cependant, cette action d’urgence ne résoudra pas le fond du problème qui est une inhibition
des populations bactériennes.
Remarque : Le pH ne peut pas être le seul paramètre utilisé pour évaluer le comportement d’un
digesteur. En effet, la stabilité du pH ne témoigne pas forcément de la bonne santé du réacteur, il n’est
que la résultante des équilibres entre familles de composés. Dans certains cas, le pouvoir tampon des
carbonates peut être si important, qu’il masque une forte teneur en AGV ou NH4+. D’autre part, une
variation de pH est la conséquence d’une modification des conditions dans le réacteur. Il paraît donc
plus intéressant de suivre des paramètres tels que les AGV, à l’origine de cette variation. La détection
d’un dysfonctionnement potentiel du digesteur n’en sera que plus rapide.
g) TAC
La mesure du titre alcalimétrique complet (TAC) permet de matérialiser le pouvoir tampon du milieu,
c'est-à-dire la capacité d’un milieu à accepter des apports acides ou basiques sans modification de son
pH. Dans le contexte de la méthanisation, cette stabilité est essentiellement assurée par les ions
bicarbonates HCO3- (en équilibre avec le dioxyde de carbone dissous) et les ions phosphates HPO3(Couturier, 1998). Ces ions permettent en effet de neutraliser les acides organiques libérés.
Un TAC minimal de 2 g.L-1 est ainsi préconisé pour assurer un bon déroulement du processus de
méthanisation (Farquhar, 1973).
h) AGV
La détermination de la concentration en Acides Gras Volatils permet de s’assurer que les réactions de
dégradation se déroulent correctement.
En effet, la principale cause d’acidification du milieu se situe au niveau de l’accumulation d’acides
gras volatils. Une concentration en AGV inférieure à 3 g.L-1 est préconisée (Farquhar, 1973).
Cependant dans la digestion des déchets solides, et en particulier dans les digesteurs fonctionnant en
voie sèche, des taux d’AGV supérieurs (5 g/L) peuvent être constatés, sans affecter le rendement de
dégradation. Le rapport AGV/TAC est également important ; il est conseillé qu’il demeure inférieur à
0.8 (Ehrig, 1983).
De plus, l’accumulation d’AGV n’est pas seulement problématique en tant que cause d’acidification ;
les acides gras volatils peuvent être responsables d’une inhibition du processus en pénétrant dans les
cellules bactériennes. Il faut toutefois noter que cela se produit lorsqu’ils sont sous forme moléculaire
uniquement, soit sous un pH à tendance acide. A pH basique, les AGV sont sous forme ionisée et cela
atténue leur effet inhibiteur (TRIVALOR, 2001).
Enfin, les différents AGV sont plus ou moins inhibiteurs. Ainsi, l’acide propionique est plus toxique
que l’acide acétique ou l’acide butyrique (Adib, 2004).
Pour évaluer ce paramètre, il est donc nécessaire de prévoir sur site un « laboratoire simplifié » et le
matériel de base permettant de réaliser des manipulations simples.
Si la concentration totale en AGV permet de suivre l’état général du digesteur, le détail des familles
d’acides permet d’évaluer plus finement quelle étape de la dégradation est limitante. Le recours à ce
type d’analyse détaillée ne peut cependant être que ponctuel et en cas de dysfonctionnement du
digesteur, puisqu’il nécessite un matériel spécifique et coûteux qu’il n’est pas rentable de posséder sur
une installation industrielle.
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Lorsque des valeurs importantes d’AGV sont mesurées (8 à 10 g/L), il convient de ralentir ou au pire
de stopper l’alimentation afin de laisser le temps au système de se réguler et de consommer les AGV
produits. Si ce taux important a provoqué une acidification prononcée (pH < 6,5), il convient alors de
rétablir un pH légèrement basique afin de rétablir des conditions favorables pour les bactéries.
i) Azote
L’azote est un des nutriments principaux pour les bactéries et il doit être disponible en quantité
suffisante. Au cours de la digestion anaérobie, les composés azotés, comme les protéines ou les acides
aminés, sont transformées en ammoniac, qui est présent sous forme libre/non ionisée NH3 ou sous
forme ionisée NH4+ (ammonium).
A faible concentration, l’ammoniac, une base forte, peut neutraliser les AGV produits lors de
l’acidogénèse, ce qui aide à maintenir un pH neutre, favorable à la digestion anaérobie. En revanche, à
forte concentration, l’ammoniac est toxique pour les bactéries impliquées dans la méthanisation. Il est
donc important de maintenir une concentration en azote suffisamment élevée pour convenir aux
besoins nutritionnels des bactéries, mais pas trop haute, pour éviter une production d’ammoniac
excessive qui serait toxique.
Une concentration d’ammoniac entre 50 et 200 mg/L est stimulante, entre 1 500 et 3 000 mg/L (à pH
entre 7.4 et 7.6) elle est faiblement inhibitrice et elle est toxique à une concentration supérieure à 3 000
mg/L (Malina, 1994). La toxicité du NH3 est réversible et peut être levée par dilution du milieu. De
plus, les bactéries peuvent s’adapter à la toxicité de l’ammoniac. Il faut noter que la forme libre de
l’ammoniac est considérablement plus toxique que l’ammonium.
La toxicité de l’ammoniac dépend de la température et du pH, car ces paramètres déterminent la forme
de l’ammoniac : la part de l’ammoniac total présent sous forme libre augmente avec la température et
le pH.
j) H2S
La production d’H2S provient de la réduction de produits soufrés tels les sulfates présents dans les
déchets ménagers (plâtre par exemple) ou des protéines présentes dans les déchets d’origine agro
alimentaire (déchets d’abattoirs par exemple).
Cette production peut être très variable pour déchets hétérogènes comme les déchets ménagers : de
quelques ppm à 5 000 ppm et plus.
L’H2S peut être à l’origine de perturbations du milieu du fait de son caractère toxique et peut même
provoquer des inhibitions. Il est préconisé de maintenir son taux en dessous de 500 ppm.
Pour cela, il est possible d’ajouter régulièrement du FeCl2 (ou FeCl3) dans le digesteur lors des
alimentations. Cette méthode est très efficace, mais demande de surveiller le taux de chlorures (Cl-),
qui sont des sous produits de réaction pouvant avoir des effets toxiques voire inhibiteurs sur les
bactéries.
D’autres paramètres peuvent être suivis de façon moins régulière : chlorures pour le digestat et teneur
en H2 du biogaz.
Ponctuellement, une analyse détaillée (fractionnement biochimique, analyses élémentaires) de la
matière organique présente dans le déchet entrant et dans le digestat peut aider à la compréhension des
dysfonctionnements d’une unité.
Enfin, le seul moyen de garantir le fonctionnement stable d’une unité est de maîtriser l’homogénéité du
déchet entrant (ou du mélange entrant dans le cas d’une co-digestion) et les conditions de
fonctionnement (rythme d’alimentation, humidité, recirculation, température…).
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3. Paramètres clés du compostage
a) La température
L’évolution de la température comporte en théorie 2 phases (cf. figure 1) :
¾ Une phase thermophile durant laquelle la température augmente jusqu’à 60°C voire 70 °C qui
correspond à la dégradation de la matière organique labile lors de fermentations exothermiques,
¾ Une phase mésophile où la température diminue qui correspond à la dégradation de la matière
organique plus stable et une réorganisation des résidus de dégradation : phase de maturation.
La température peut être un indicateur de la
qualité du compostage : en effet, une
mauvaise montée en température ou une
chute brusque de la température sont signes
d’un mauvais fonctionnement.
L’élévation de température permet la
destruction des germes pathogènes et des
parasites, l’évaporation de l’eau et la
dégradation
accélérée
des
composés
organiques.
De même la diminution de la température
peut être un indicateur de la maturité des
composts. Ce paramètre doit cependant être
utilisé avec précaution, en raison de l’inertie
thermique des composts. Sans retournement,
le compost peut se maintenir à une
température élevée, même si l’activité des
micro-organismes diminue.
Mustin, 1987
Figure 1 : Evolution de la température lors des différentes
phases du compostage
D’autre part, le suivi de la température est indispensable pour s’assurer que le produit respecte la
réglementation.
Si une absence de montée en température est constatée dès le début du compostage, cela traduit une
carence ou un excès d’un ou des deux paramètres décrits ci-dessous.
b) L’oxygène
Les besoins en oxygène des microorganismes aérobies évoluent au cours de la fermentation. Ils sont
maximaux au démarrage du compostage, lors des premières phases de dégradations intenses de la
matière organique fermentescible. La disparition progressive de cette fraction provoque une
diminution proportionnelle des besoins en oxygène, jusqu’à la maturation du compost où une faible
consommation résiduelle est encore enregistrée. La consommation d’oxygène par la respiration
microbienne, différente en fonction des stades de compostage permet de déterminer l’évolution du
compost et d’ajuster l’apport en oxygène optimal.
Dans tous les cas, il faut apporter une teneur en oxygène suffisante pour garantir des conditions
aérobies dans l’andain, soit une teneur supérieure à 5%. Sous ce niveau, le risque devient très
important de voir apparaitre des zones anaérobies, productrices de méthane, ce phénomène étant
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renforcé par la présence d’un milieu favorable constitué par le digestat. Une valeur moyenne située
entre 15 et 20 % est donc préconisée pour éliminer ce risque.
L’absence de montée en température mentionnée dans le paragraphe précédent peut résulter d’un
insuffisance d’oxygène dans l’andain. Pour remédier à cela, plusieurs solutions sont envisageables :
- ajouter davantage de structurant type déchets verts afin de favoriser la circulation de l’air
dans l’andain
- ajuster l’aération du ventilateur (si aération forcée) : 2 possibilités : réglage trop faible :
pas assez d’air ou réglage trop élevé : refroidissement de l’andain
- retourner l’andain pour l’aérer
c) L’humidité
Une teneur en eau minimale est nécessaire pour assurer le bon déroulement du compostage. La teneur
en eau d’un andain a tendance à diminuer au cours du compostage sous l’effet de la montée en
température, de l’aération forcée ou des retournements qui provoquent des pertes par évaporation.
Il s’agit donc de maintenir une valeur optimum d’humidité comprise entre 50 et 60 %.
Il est donc nécessaire de suivre l’humidité du compost pendant le compostage pour s’assurer qu’elle ne
descend pas au-dessous d’une valeur critique (entre 35 et 40% d’humidité), sous peine d’inhiber le
développement de la microflore, qui se traduit par une absence de montée en température.
De même, une humidité supérieure à 65% peut provoquer des conditions anaérobies. Ces conditions se
traduiront par une absence de montée en température et l’apparition de méthane. Il est alors conseillé
de procéder à des retournements pour favoriser l’évaporation et ainsi faire chuter le taux d’humidité.
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III. OUTILS DE PILOTAGE ET SUIVI BIOLOGIQUE DE L’UNITE
A. Outils de suivi
Un certain nombre de paramètres, dont l’analyse est relativement simple et rapide, permettent
d’assurer un suivi efficace du processus, ainsi que la détection des principaux dysfonctionnements.
Le premier élément indicateur du fonctionnement du procédé est le biogaz : s’il n’y a pas ou peu
de biogaz produit, cela indique que le digesteur ne fonctionne pas ou très mal.
Le suivi en continu de sa production et de sa composition est donc indispensable puisqu’il
indique le niveau de performance du digesteur, en renseignant sur le pourcentage de méthane produit
par rapport au potentiel total du déchet ayant été dégradé. Ce suivi permet également de détecter des
dysfonctionnement : ainsi, une faible teneur en méthane (en dehors de la baisse, normale, constatée
après l’alimentation) peut indiquer une inhibition des bactéries méthanogènes.
Le taux d’acides gras volatils totaux, le pH et le TAC sont des paramètres qu’il est très
important de mesurer régulièrement dans le milieu de digestion.
Le pH est un paramètre qu’il est nécessaire mais non suffisant de suivre au cours du processus.
En effet, même si le pH appartient à la gamme recommandée pour la méthanisation et varie peu au
cours du processus, des concentrations importantes et fluctuantes en acides gras volatils peuvent être
« masquées » par un pouvoir tampon important. Il convient donc de suivre le pH, mais également les
AGV et le TAC pour assurer un suivi le plus pertinent possible.
Le taux d’AGV peut être considéré comme le paramètre critique du fonctionnement et du
contrôle de la méthanisation. Son augmentation peut être un des premiers indices d’un
dysfonctionnement du processus. Il est donc particulièrement essentiel de le mesurer le plus
régulièrement possible (au moins une fois par semaine).
La mesure régulière des taux d’azote total et ammoniacal en solution dans le milieu de digestion
peut s’avérer nécessaire, en particulier dans le cas de la digestion de déchets riches en azote (boues de
station d’épuration, déchets d’abattoirs, lisiers,…). En effet, l’azote (en particulier sous sa forme
ammoniacale) peut être responsable d’inhibition. La mesure de ce taux sur la fraction solide est moins
pertinente.
Enfin, le suivi de la température et du taux de matière sèche du contenu du digesteur
permettent de s’assurer que les objectifs en terme de mode de fonctionnement (mode thermophile ou
mésophile ; procédé par voie sèche) sont bien atteints.
Afin de réaliser ce suivi en temps réel sur une unité industrielle, un espace dédié et un minimum de
matériel doit être prévu sur place. Les équipements indispensables pour suivre ces différents
paramètres sont les suivants :
- une balance de paillasse (0 – 2 kg)
- une centrifugeuse de paillasse
- un pH mètre
- un agitateur magnétique avec bloc chauffant
- 2 burettes
- une balance dessicatrice
- un dispositif d’analyse d’effluents en kits (spectrophotomètre + bloc chauffant )
- 2 micropipettes (1000 - 5000 µL et 100 – 1000 µL)
- Verrerie (béchers, fioles), barreaux aimantés…
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-
Solutions d’acide (H2SO4 ; 0,1N) et de soude (NaOH ; 0,1N)
Si la zone dédiée le permet, l’acquisition d’un four à moufle peut également être intéressante. En effet,
le four permettra d’évaluer la MO contenu dans les déchets entrants et donc d’estimer la production de
gaz attendue.
La MS et la MO peuvent également être mesurés sur les sous-produits du traitement (tel le digestat
déshydraté) pour évaluer le taux de dégradation du digesteur et éventuellement jouer sur le temps de
séjour, mais également d’ajuster le post-traitement prévu (compostage).
Afin de garantir des résultats d’analyses fiables, il est important de prévoir un planning de maintenance
et d’étalonnage des différents appareils de mesures utilisés.
Tout écart d’analyse non décelé entraînera des erreurs dans la détermination et l’interprétation des
paramètres de suivi et donc, un risque de mauvaise gestion du procédé.
Enfin, bien que ces analyses soient relativement facile à réaliser, il est préférable de sensibiliser et
former un nombre limité d’opérateurs pour effectuer ce suivi. En effet, les résultats obtenus peuvent
varier d’un utilisateur à l’autre, en fonction de l’habitude et de l’attention portée aux manipulations.
B. Unités et conversions
Le suivi de routine présenté ci-dessus est relativement aisé. Nous attirons cependant l’attention sur
l’importance de la préparation des protocoles et de l’interprétation des résultats. En effet, ce type de
manipulation peut entraîner des erreurs de dilutions lors des analyses ou de calcul lors de la
présentation des résultats. Ce type d’erreur pourrait avoir des répercutions sur la manière de gérer
l’unité (absence de mesure corrective en cas de non identification d’un problème ou limitation du
traitement alors que le procédé fonctionne bien).
D’autre part, certains paramètres présentés ci-dessus peuvent être exprimés dans différentes unités, en
fonction du référentiel qui est choisi.
Il conviendra donc de toujours exprimer un paramètre dans la même unité. Chaque unité (chaque
référentiel pris en compte) donne une information sur le système. Il faut donc bien identifier
l’information que l’on souhaite mettre en avant lors d’une analyse.
Afin d’éviter certaines méprises, la liste ci-dessous reprend les abréviations et la terminologie
généralement utilisées lors de la caractérisation de différents produits :
- Matière Brute (MB) = Matière Fraîche (MF) = Fresh Mater (FM)
- Matière sèche (MS) = Total solid (TS) = Dry Mater (DM)
- Matière organique (MO) = Matière Volatile (MV ou MSV) = Organic Mater (OM) = Volatile Mater
(VM)
- Matière Organique sur sec (MO sur sec) = Volatile Solid (VS)
- Matière Organique Biodégradable (MOb) = Matière Volatile Biodégradable (MVb)
Pour faciliter la conversion d’une unité à une autre, les équations suivantes pourront être utilisées :
QMS = % MS * QMB
QMO = % MO sur sec * QMS
QMOb = % MOb* QMO
QMO = %MS * %MO * QMB
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Nous pouvons également noter les équivalences suivantes qui s’appliquent aux unités rencontrées dans
le milieu de la digestion anaérobie :
- Pour la quantification et la qualification des gaz produits :
1 Nm3 = 1 m3 de gaz dans des conditions normales de T°C et de Pression (0°C et 1 atm).
1 ppm = 1mg/m3 = 0,0001%
- Pour la quantification de production énergétique et de rendement
1kW=1000 W= 3600000 Joule/heure
PCi 1 m3 de méthane = 9,94 kWh
Les paramètres suivants sont utilisés pour comparer les performances de plusieurs unités :
- Le Temps de Séjour :
C’est la durée moyenne de maintien des matières dans un digesteur. Pour un réacteur de type liquide,
on parle de temps de rétention hydraulique (TRH).
TRH(en jours) = Vutile digesteur / Vextrait chaque jour
- La charge organique :
C’est le débit d’alimentation d’un digesteur en matières fraîches. Pour les biodéchets ou ordures
ménagères, on l’exprime en kg de matières organiques (MSV) par mètre cube de volume utile de
digesteur et par jour. Pour les effluents liquides, on l’exprime en kg de DCO par mètre cube de volume
utile de digesteur et par jour (ou par heure).
Charge organique = QMO / Vutile digesteur / jour
- Le rendement de production de biogaz et de méthane :
Les productions de biogaz et de méthanes mesurées peuvent être relevées, en m3 ou en Nm3, et
rapportées à la quantité de déchets bruts entrants en méthanisation, à la quantité de MS entrante ou à la
quantité de MO entrante.
Dans ce cas, les équivalences suivantes peuvent être utilisées :
VCH4 / tMB = %CH4 * Vbiogaz / tMB
VCH4 / tMS = (VCH4 / tMB) / %MS
VCH4 / tMO = (VCH4 / tMS) / %MO
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ou
VCH4 / tMO = (VCH4 / tMB) / (%MO*%MS)
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IV.
SECURITE ET FORMATION
Etant donné le type de procédé, l’environnement de travail, les produits traités et sous-produits
générés, il est important de mettre en avant certains risques auxquels peut-être confronté l’opérateur.
Parmi les différents risques identifiés, nous évoquerons les 2 risques nous paraissant majeurs sur une
unité de méthanisation de déchets : les risques liés au biogaz et les risques liés aux microorganismes
pathogènes.
A. Sécurité
1. Biogaz
Au cours de la réaction, la dégradation de la matière organique entraîne la production de biogaz. Ce
gaz étant essentiellement composé de méthane, il est combustible et sa présence dans le process
impose une définition de zones ATEX. Il est donc indispensable d’identifier l’ensemble des risques
liés à la présence de gaz, de mettre en œuvre les équipements (détecteurs de méthane, système
d’isolation automatique du réseau biogaz…) et les procédures adéquates qui permettront d’éviter un
accident (usage du téléphone portable interdit dans les zones définies…). La signalisation des zones
identifiées comme ATEX est alors une priorité, ainsi que le respect des consignes en place. Ainsi,
lorsqu’une telle zone est identifiée, l’outillage utilisé doit répondre aux critères ATEX pour pouvoir
être utilisé, afin de limiter les sources de chaleur pouvant provoquer une explosion en cas de fuite de
gaz. Ces sources de chaleur peuvent être : les flammes (chalumeaux, cigarettes et mégots, briquets,…),
les étincelles mécaniques (meulage, tronçonnage,…), les étincelles électriques (soudage à l’arc, mises
à la terre, électricité statique, foudre, mauvais contacts, …) et les surfaces chaudes (frottements
mécaniques, conduction thermique, pièces non refroidies,…).
Zonage ATEX
La détermination des zones dites ATEX (ATmosphères EXplosives) est régie en Europe par la Directive ATEX
1999/92/CE, transposée en droit français par les décrets 2002-1553 et 2002-1554.
Cette Directive impose notamment l’employeur d’empêcher la formation d’ATEX et de classer en zones les
emplacements à risque où les ATEX peuvent se former.
Le zonage est réalisé selon le risque de formation d’une Atex.
Pour les gaz, on distingue 3 zones :
Z0 : DANGER PERMANENT : emplacement dans lequel une atmosphère explosive est présente en
permanence ou pendant de longues périodes
Z1 : DANGER POTENTIEL : emplacement dans lequel une atmosphère explosive est susceptible de se former
en service normal
Z2 : DANGER MINIME : emplacement dans lequel une atmosphère explosive n’est pas susceptible de se
former en fonctionnement normal et où une telle formation, si elle se produit, ne peut subsister que pendant une
courte durée.
Tous les équipements électriques, mécaniques ou pneumatiques, les appareils de protection, les dispositifs de
sécurité qui sont installés dans ces zones doivent porter les mentions prouvant qu’ils peuvent être utilisés dans
ces zones : marquage CE, logo Ex
3G (pour zone 2).
, appartenance au groupe II 1G (pour zone 0), II 2G (pour zone 1) ou II
Le biogaz pouvant également contenir de nombreux autres gaz, potentiellement toxiques pour
l’homme, en quantités variables. L’exemple le plus connu est celui du H2S. Dans certaines proportions,
ce gaz peut être mortel en cas d’inhalation. Ce risque est essentiellement encouru lors d’opérations de
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maintenance d’équipements de sécurité (type Dispositif « Arrête flammes »), d’équipements de
traitement ou de valorisation du biogaz. Dans ces conditions, il est souhaitable de prévoir l’utilisation
de détecteurs de gaz portables, de masque à cartouches (adaptées aux gaz susceptibles d’être
rencontrés).
Limites d’explosivité et de toxicité
Certains composés du biogaz ou émanant du digestat sont potentiellement des sources d’explosion ou
d’intoxication.
En particulier, 3 composés sont à surveiller sur les installations de méthanisation :
Pour l’explosivité : le méthane (dans le biogaz)
Pour la toxicité : l’hydrogène sulfuré (H2S) (dans le biogaz) et l’ammoniac (NH3) lors des manipulations de
digestat
Limite d’explosivité
Un mélange est explosif lorsque la concentration dans l’air d’une substance combustible est comprise entre 2
valeurs :
- la limite inférieure d’explosivité (LIE)
- la limite supérieure d’explosivité (LSE)
air
combustible
MELANGE EXPLOSIF
0%
LIE
LSE
100 %
Méthane CH4 : LIE 5 % - LSE 15 %
Limites de toxicité
Plusieurs notions sont à prendre en compte :
L’IDLH : niveau d’exposition maximale en milieu professionnel pour une durée de 30 mn :
Hydrogène sulfuré H2S : 300 ppm, soit 420 mg/m3
Seuil DIVS : seuil dangereux et immediate pour la vie et la santé :
H2S : 100 ppm, soit 140 mg/m3
VLE : Valeur Limite d’Exposition à court terme (15 mn) :
H2S : 7 à 9.8 ppm, soit 10 à 14 mg/m3
Ammoniac NH3 : 50 ppm, soit 36 mg/m3
VME : Valeur Moyenne d’Exposition (sur 8h)
H2S : 5 ppm, soit 10 mg/m3
NH3 : 25 ppm, soit 18 mg/m3
H2S
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H2S
Etant donné les différents risques liés à la présence de biogaz cités ci- dessus (intoxication, explosion,
incendie), la signalétique en place sur le site doit être réalisée avec soin (identification de toutes les
zones ou équipements de façon claire).
Un autre point important à signaler est l’intervention ponctuelle sur le site de sociétés extérieures
(spécialisées dans la réparation ou l’entretien d’équipements particuliers, exemple : vis ou pompe…).
Le personnel devant intervenir sur le site doit préalablement être informé des risques et des règles à
respecter sur le site. Cette démarche permettra ainsi aux intervenants de préparer un matériel adapté
pour effectuer de la maintenance ou une réparation dans des conditions de sécurité satisfaisantes.
2. Travail sous pression
Le biogaz présent dans le réacteur et le réseau est sous pression. Le maintien d’une pression constante
dans le réseau est nécessaire pour éviter toute infiltration d’air dans le système et pour assurer une
alimentation continue des équipements de valorisation du biogaz.
Ce mode de fonctionnement entraine, de fait, un risque d’explosion au niveau du réacteur ou du réseau
de biogaz.
Pour limiter ce risque, des équipements indispensables doivent être installés :
- un dispositif de surpression (dégazage lorsque la pression atteint un seuil prédéfini)
- un disque de rupture sur le toit du digesteur
- une garde hydraulique
- une torchère (en plus des équipements de valorisation du biogaz)
- des capteurs de pression disposés dans le réacteur et sur le réseau de biogaz)
- un suivi efficace du niveau de digestat dans le réacteur (volume + bilan massique)
Les risques liés au travail sous pression sont donc maitrisés lorsque les équipements adéquates sont
mis en place. La maintenance de ces appareils est également très importante pour la prévention des
risques d’explosion.
Enfin, un suivi des entrées / sorties du réacteur peuvent aider à contrôler la cohérence des données
fournies par les capteurs de pression en ligne.
3. Risque biologique
Les déchets traités par méthanisation sont naturellement contaminés par des micro-organismes
pathogènes. Au cours du traitement, sauf en cas d’hygiénisation, la majorité d’entre eux va survivre
voire se développer. Afin d’éviter d’être contaminé, l’opérateur devra impérativement porter des gants
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lors des différentes taches à réaliser. Le port d’un masque anti-poussières peut également être
recommandé dans certains cas pour éviter une ingestion de germes pathogènes aéroportés.
Enfin, les règles d’hygiène élémentaires devront être rappelées en permanence (notamment le lavage
des mains).
B. Formation
Les différents points présentés dans ce document montrent que l’exploitation d’une unité de
méthanisation fait appel à de multiples compétences et requiert un savoir-faire spécifique. La
formation du personnel s’avère donc déterminante pour la bonne gestion de ces installations. Chaque
unité (y compris celles issues d’un même constructeur) est unique, au moins par les caractéristiques
des déchets qu’elle traite, et nécessite donc une période d’apprentissage du comportement du
digesteur.
Il paraît donc essentiel d’impliquer dès la construction, lorsque cela est possible, les personnes en
charge de l’exploitation de l’unité. D’autre part, les phases de démarrage puis d’essais de garantie
doivent également être suivies de manière systématique et doivent être l’occasion d’acquérir le
maximum d’informations pratiques détaillées et de préconisations auprès du constructeur.
Le personnel chargé de la maintenance doit également avoir une formation spécifique et être
particulièrement sensibilisé à la sécurité, notamment pour l’entretien des équipements du réseau
biogaz.
Outre les formations classiques en exploitation (Sauveteur Secouriste du Travail, habilitations
électriques, formations incendie, manipulation d’engins, …), il est préconisé de faire suivre aux
principaux intervenants des formations spécifiques telles qu’une formation aux risques ATEX, aux
risques biologiques ou encore une formation de base aux analyses physico-chimiques de base.
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V. CONCLUSION
Les OMr sont des déchets aux caractéristiques et comportement mécanique complexes, à l’origine de
difficultés sur les installations de méthanisation : difficultés mécaniques pouvant découler sur des
problèmes d’ordre biologique.
Ce constat met en avant toute l’importance de la phase de prétraitement, qui conditionne l’ensemble
des étapes suivantes du procédé.
Outre une bonne connaissance des caractéristiques et du potentiel du (des) déchet(s) à traiter, le suivi
précis et régulier de quelques paramètres physico chimiques du digestat se révèle être également un
élément décisif d’une gestion sereine de ce type d’unités.
La bonne appréhension de l’installation, et du processus biologique qui s’y déroule, par le personnel en
charge de l’exploitation est également indispensable.
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BIBLIOGRAPHIE
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