Anaerobic digestion/fr
est un processus au cours duquel des micro-organismes décomposent des matières biodégradables en l'absence d'oxygène. Les produits de cette décomposition sont le biogaz (un mélange de dioxyde de carbone (CO2) et de méthane) et le digestat (un engrais riche en azote). Le biogaz peut être brûlé pour produire de la chaleur, ou être nettoyé et utilisé de la même manière que le gaz naturel ou comme carburant automobile. Le digestat des déchets est riche en minéraux et peut être utilisé comme engrais agricole ou amendement des sols.
Application
Le procédé anaérobie par voie humide est largement utilisé pour traiter les boues d'épuration et les déchets organiques car il permet de réduire le volume et la masse des matières entrantes. Dans le cadre d'un système intégré de gestion des déchets, la digestion anaérobie réduit les émissions de gaz de décharge dans l'atmosphère.
La digestion anaérobie sèche est également largement utilisée. Par exemple, l'installation d'Axpo Kompogas AG est une installation entièrement développée qui a produit 27 millions de kWh d'électricité et de biogaz en 2009. Les plus anciens camions de l'entreprise ont parcouru 1 000 000 de kilomètres avec du biogaz issu des déchets ménagers au cours des 15 dernières années. [ 1 ]
La digestion anaérobie est une source d'énergie renouvelable car le processus produit un biogaz riche en méthane et en dioxyde de carbone adapté à la production d'énergie, contribuant ainsi à remplacer les combustibles fossiles. De plus, les solides riches en nutriments qui restent après la digestion peuvent être utilisés comme engrais
Processus
Il existe deux types de procédés : le procédé de digestion anaérobie par voie humide et le procédé de digestion anaérobie par voie sèche . Dans les deux types de procédés, un certain nombre de bactéries sont impliquées dans le processus de digestion anaérobie, notamment les bactéries formant de l'acide acétique (acétogènes) et les bactéries formant du méthane (méthanogènes). Ces bactéries se nourrissent de la matière première initiale, qui subit un certain nombre de processus différents la convertissant en molécules intermédiaires, notamment des sucres, de l'hydrogène et de l'acide acétique, avant d'être finalement convertie en biogaz.
Différentes espèces de bactéries sont capables de survivre à différentes plages de température. Celles qui vivent de manière optimale à des températures comprises entre 35 et 40 °C sont appelées mésophiles ou bactéries mésophiles. Certaines bactéries peuvent survivre dans des conditions plus chaudes et plus hostiles de 55 à 60 °C, elles sont appelées thermophiles ou bactéries thermophiles. Les méthanogènes proviennent du groupe primitif des archées. Cette famille comprend des espèces qui peuvent se développer dans les conditions hostiles des sources hydrothermales. Ces espèces sont plus résistantes à la chaleur et peuvent donc fonctionner à des températures thermophiles, une propriété propre aux familles bactériennes.
Comme dans les systèmes aérobies, les bactéries des systèmes anaérobies et les micro-organismes qui s'y développent et s'y reproduisent ont besoin d'une source d'oxygène élémentaire pour survivre.
Dans un système anaérobie, il n'y a pas d'oxygène gazeux. Dans un digesteur anaérobie, l'oxygène gazeux est empêché de pénétrer dans le système par un confinement physique dans des réservoirs scellés. Les anaérobies accèdent à l'oxygène à partir de sources autres que l'air ambiant. La source d'oxygène pour ces micro-organismes peut être la matière organique elle-même ou bien elle peut être fournie par des oxydes inorganiques présents dans la matière d'entrée.
Lorsque la source d'oxygène dans un système anaérobie provient de la matière organique elle-même, les produits finaux « intermédiaires » sont principalement des alcools, des aldéhydes et des acides organiques ainsi que du dioxyde de carbone. En présence de méthanogènes spécialisés, les intermédiaires sont convertis en produits finaux « finaux » de méthane, du dioxyde de carbone avec des traces de sulfure d'hydrogène. Dans un système anaérobie, la majeure partie de l'énergie chimique contenue dans la matière de départ est libérée par les bactéries méthanogènes sous forme de méthane.
Les populations de bactéries anaérobies mettent généralement beaucoup de temps à s'établir et à être pleinement efficaces. Il est donc courant d'introduire des micro-organismes anaérobies à partir de matériaux déjà peuplés. Ce processus est appelé « ensemencement » des digesteurs et se déroule généralement avec l'ajout de boues d'épuration ou de lisier de bovins.
étapes
La digestion anaérobie comporte quatre étapes biologiques et chimiques clés :
- Hydrolyse
- Acidogénèse
- Acétogénèse
- Méthanogenèse
Dans la plupart des cas, la biomasse est constituée de polymères organiques de grande taille. Pour que les bactéries des digesteurs anaérobies puissent accéder au potentiel énergétique de la matière, ces chaînes doivent d'abord être décomposées en leurs éléments constitutifs plus petits. Ces éléments constitutifs ou monomères tels que les sucres sont facilement disponibles pour d'autres bactéries. Le processus de rupture de ces chaînes et de dissolution des molécules plus petites en solution est appelé hydrolyse. Par conséquent, l'hydrolyse de ces composants polymères de poids moléculaire élevé est la première étape nécessaire de la digestion anaérobie. Grâce à l'hydrolyse, les molécules organiques complexes sont décomposées en sucres simples, acides aminés et acides gras.
L'acétate et l'hydrogène produits dans les premières étapes peuvent être utilisés directement par les méthanogènes. D'autres molécules telles que les acides gras volatils (AGV) dont la longueur de chaîne est supérieure à celle de l'acétate doivent d'abord être catabolisés en composés directement utilisables par les méthanogènes.
Le processus biologique d'acidogénèse est celui où les composants restants sont encore dégradés par des bactéries acidogènes (fermentaires). C'est à ce moment que des acides gras volatils (AGV) sont créés, ainsi que de l'ammoniac, du dioxyde de carbone et du sulfure d'hydrogène, ainsi que d'autres sous-produits. Le processus d'acidogénèse est similaire à la façon dont le lait tourne.
La troisième étape de la digestion anaérobie est l'acétogénèse. Les molécules simples créées au cours de la phase d'acidogénèse sont ensuite digérées par des acétogènes pour produire principalement de l'acide acétique ainsi que du dioxyde de carbone et de l'hydrogène.
La dernière étape de la digestion anaérobie est le processus biologique de la méthanogenèse. Les méthanogènes utilisent les produits intermédiaires des étapes précédentes et les convertissent en méthane, dioxyde de carbone et eau. Ce sont ces composants qui constituent la majorité du biogaz émis par le système. La méthanogenèse est sensible aux pH élevés et faibles et se produit entre pH 6,5 et pH 8. Le reste des matières non digestibles dont les microbes ne peuvent pas se nourrir, ainsi que les restes de bactéries mortes constituent le digestat.
Une équation chimique générique simplifiée pour les processus globaux décrits ci-dessus est la suivante :
C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4
Configuration du digesteur anaérobie
Les digesteurs anaérobies peuvent être conçus et fabriqués pour fonctionner à l'aide d'un certain nombre de configurations de processus différentes :
- Lot ou continu
- Température : Mésophile ou thermophile
- Teneur en solides : Teneur élevée en solides ou faible teneur en solides
- Complexité : en une seule étape ou en plusieurs étapes
Lot ou continu
Le système par lots est la forme la plus simple de digestion. La biomasse est ajoutée au réacteur au début du processus par lots et est scellée pendant toute la durée du processus. La production de biogaz se formera selon un modèle de distribution normal au fil du temps. L'opérateur peut utiliser ce fait pour déterminer quand il estime que le processus de digestion de la matière organique est terminé.
Température
Il existe deux niveaux de température de fonctionnement conventionnels pour les digesteurs anaérobies, qui sont déterminés par les espèces de méthanogènes présentes dans les digesteurs :
- Mésophile qui se produit de manière optimale autour de 37°-41°C ou à des températures ambiantes entre 20°-45°C où les mésophiles sont les principaux micro-organismes présents
- Thermophile qui se produit de manière optimale autour de 50°-52° à des températures élevées jusqu'à 70°C où les thermophiles sont les principaux micro-organismes présents.
Il existe un plus grand nombre d'espèces de mésophiles que de thermophiles. Ces bactéries sont également plus tolérantes aux changements de conditions environnementales que les thermophiles. Les systèmes mésophiles sont donc considérés comme plus stables que les systèmes de digestion thermophile. Les systèmes de digestion thermophile sont considérés comme moins stables, mais les températures plus élevées facilitent des taux de réaction plus rapides et donc des rendements en gaz plus rapides. Le fonctionnement à des températures plus élevées facilite une plus grande stérilisation du digestat final.
L'inconvénient du fonctionnement à des températures thermophiles est qu'un apport d'énergie thermique plus important est nécessaire pour atteindre les températures de fonctionnement correctes. Cette augmentation d'énergie ne peut pas être compensée par l'augmentation des rendements de biogaz des systèmes. Il est donc important de considérer un bilan énergétique pour ces systèmes
Solides
En règle générale, deux paramètres opérationnels différents sont associés à la teneur en matières solides de la matière première destinée aux digesteurs :
- Teneur élevée en solides
- Faible teneur en solides
Les digesteurs peuvent être conçus pour fonctionner soit avec une teneur élevée en solides, avec une concentration totale de solides en suspension (TSS) supérieure à 20 %, soit avec une faible concentration en solides inférieure à 15 %.
Les digesteurs à haute teneur en solides traitent une boue épaisse qui nécessite un apport énergétique plus important pour déplacer et traiter la matière première. L'épaisseur du matériau peut également entraîner des problèmes associés à l'abrasion. Les digesteurs à haute teneur en solides nécessitent généralement moins de terrain en raison des volumes plus faibles associés à l'humidité.
Les digesteurs à faible teneur en solides peuvent transporter les matières à travers le système à l'aide de pompes standard qui nécessitent un apport énergétique nettement inférieur. Les digesteurs à faible teneur en solides nécessitent une plus grande quantité de terrain que les digesteurs à forte teneur en solides en raison des volumes accrus associés au rapport liquide:matière première plus élevé des digesteurs. Le fonctionnement dans un environnement liquide présente des avantages car il permet une circulation plus complète des matières et un contact entre les bactéries et leur nourriture. Cela permet aux bactéries d'accéder plus facilement aux substances dont elles se nourrissent et augmente la vitesse de production de gaz.
Nombre d'étapes
Les systèmes de digestion peuvent être configurés avec différents niveaux de complexité :
- À un étage ou à un seul étage
- À deux ou plusieurs étages
Un système de digestion à une seule étape est un système dans lequel toutes les réactions biologiques se produisent dans un seul réacteur ou réservoir de stockage scellé. L'utilisation d'une seule étape réduit les coûts de construction, mais facilite moins le contrôle des réactions qui se produisent dans le système. Les bactéries acidogènes, par la production d'acides, réduisent le pH du réservoir. Les bactéries méthanogènes fonctionnent dans une plage de pH strictement définie. Par conséquent, les réactions biologiques des différentes espèces dans un réacteur à une seule étape peuvent être en concurrence directe les unes avec les autres. Un autre système de réaction à une étape est un lagon anaérobie. Ces lagons sont des bassins en terre ressemblant à des étangs utilisés pour le traitement et le stockage à long terme des fumiers. Ici, les réactions anaérobies sont contenues dans les boues anaérobies naturelles contenues dans le bassin.
Dans un système de digestion à deux ou plusieurs étapes, différents récipients de digestion sont optimisés pour apporter un contrôle maximal sur les communautés bactériennes vivant dans les digesteurs. Les bactéries acidogènes produisent des acides organiques et se développent et se reproduisent plus rapidement que les bactéries méthanogènes. Les bactéries méthanogènes ont besoin d'un pH et d'une température stables afin d'optimiser leurs performances.
En règle générale, l'hydrolyse, l'acétogénèse et l'acidogénèse se produisent dans le premier récipient de réaction. La matière organique est ensuite chauffée à la température de fonctionnement requise (mésophile ou thermophile) avant d'être pompée dans un réacteur méthanogène. Les cuves d'hydrolyse ou d'acidogénèse initiales avant le réacteur méthanogène peuvent fournir un tampon au taux d'ajout de la matière première
Résidence
Le temps de séjour dans un digesteur varie en fonction de la quantité et du type de matière première, de la configuration du système de digestion et du fait qu'il soit à une ou deux étapes.
Dans le cas d'une digestion thermophile à une seule étape, les temps de séjour peuvent être de l'ordre de 14 jours, ce qui est relativement rapide par rapport à la digestion mésophile. La nature piston de certains de ces systèmes signifie que la dégradation complète du matériau peut ne pas avoir été réalisée dans ce laps de temps. Dans ce cas, le digestat sortant du système sera de couleur plus foncée et aura plus d'odeur.
Dans la digestion mésophile en deux étapes, le temps de séjour peut varier entre 15 et 40 jours.
Dans le cas de la digestion mésophile UASB, les temps de séjour hydraulique peuvent être de (1 heure à 1 jour) et les temps de rétention des solides peuvent atteindre 90 jours . De cette manière, le système UASB est capable de séparer les temps de rétention solides et hydrauliques grâce à l'utilisation d'une couverture de boues.
Les digesteurs continus sont dotés de dispositifs mécaniques ou hydrauliques, selon le niveau de solides dans la matière, pour mélanger le contenu, permettant ainsi aux bactéries et aux aliments d'être en contact. Ils permettent également d'extraire en continu les excédents de matière pour maintenir un volume raisonnablement constant dans les cuves de digestion.
Digestion anaérobie sèche
Ce procédé n'utilise aucun fumier et est donc plus adapté à certaines applications dans lesquelles aucun fumier ne doit être traité. Ce procédé peut être réalisé de plusieurs manières. Il existe par exemple le procédé « Kompoferm » de Wiessmann-Bioferm. [ 2 ] [ 3 ] Il existe également le système Axpo Kompogas AG, [ 4 ] le procédé Dranco tel que conçu par OWS, [ 5 ] ainsi qu'un système de Jan Klein Hesselink. [ 6 ] [ 7 ]
Produits
La digestion anaérobie produit trois principaux produits : le biogaz, le digestat et l’eau.
Biogaz
Le biogaz est le déchet ultime des bactéries qui se nourrissent de la matière première biodégradable. Il est principalement composé de méthane et de dioxyde de carbone, avec une petite quantité d'hydrogène et des traces de sulfure d'hydrogène. La majeure partie du biogaz est produite au milieu de la digestion, après que la population bactérienne a augmenté, et diminue à mesure que la matière putrescible est épuisée. Le gaz est normalement stocké au-dessus du digesteur dans une bulle de gaz gonflable ou extrait et stocké à côté de l'installation dans un gazomètre.
Le méthane contenu dans le biogaz peut être brûlé pour produire à la fois de la chaleur et de l'électricité, généralement avec un moteur à piston ou une microturbine, souvent dans un système de cogénération où l'électricité et la chaleur résiduelle générées sont utilisées pour chauffer les digesteurs ou pour chauffer les bâtiments. L'électricité excédentaire peut être vendue aux fournisseurs ou injectée dans le réseau local. L'électricité produite par les digesteurs anaérobies est considérée comme une énergie renouvelable et peut faire l'objet de subventions. Le biogaz ne contribue pas à l'augmentation des concentrations atmosphériques de dioxyde de carbone car le gaz n'est pas rejeté directement dans l'atmosphère et le dioxyde de carbone provient d'une source organique à cycle de carbone court.
Le biogaz peut nécessiter un traitement ou un « épuration » pour le raffiner et l'utiliser comme carburant. Le sulfure d'hydrogène est un produit toxique formé à partir des sulfates présents dans la matière première et est libéré sous forme de trace dans le biogaz. Si les niveaux de sulfure d'hydrogène dans le gaz sont élevés, un équipement d'épuration et de nettoyage du gaz (tel que le traitement des gaz aminés) sera nécessaire pour traiter le biogaz dans les limites régionales acceptées (déterminées par l'EPA américaine ou l'Agence anglaise et galloise de l'environnement). Une autre méthode consiste à ajouter du chlorure ferrique FeCl3 aux cuves de digestion afin d'inhiber la production de sulfure d'hydrogène.
Les siloxanes volatils peuvent également contaminer le biogaz ; ces composés sont fréquemment présents dans les déchets ménagers et les eaux usées. Dans les installations de digestion acceptant ces matières comme composant de la matière première, les siloxanes de faible poids moléculaire se volatilisent en biogaz. Lorsque ce gaz est brûlé dans un moteur à gaz, une turbine ou une chaudière, les siloxanes sont transformés en dioxyde de silicium (SiO2 ) qui se dépose à l'intérieur de la machine, augmentant l'usure et la détérioration pouvant également contaminer le biogaz ; ces composés sont fréquemment retrouvés dans les déchets ménagers et les eaux usées.
Dans les installations de digestion acceptant ces matières comme composant de la matière première, les siloxanes de faible poids moléculaire se volatilisent en biogaz. Lorsque ce gaz est brûlé dans un moteur à gaz, une turbine ou une chaudière, les siloxanes sont transformés en dioxyde de silicium (SiO2) qui se dépose à l'intérieur de la machine, augmentant l'usure et la détérioration.
Digestat
Le digestat est le matériau qui reste après la digestion anaérobie. Il contient de l'azote, du phosphore et du potassium, il est donc utilisé comme engrais. Il est composé de matières non digestibles et d'organismes morts et remplit généralement 90 à 95 % du sac après la digestion. Pendant la digestion anaérobie, aucun nutriment n'est perdu, le cycle des nutriments est donc fermé et les matériaux peuvent être réutilisés. Il existe de nombreuses incitations à utiliser le digestat pour vos sols et il est considéré comme plus nutritif et plus sain pour le sol. En raison de son contenu, il neutralise les graines invasives, les espèces invasives créent une concurrence pour les espèces indigènes, donc cet engrais réduira considérablement cette menace. Les agents pathogènes sont considérablement réduits en raison du prétraitement du système ainsi que des microbes à l'intérieur du digesteur. Le digestat permet de libérer moins d'émissions et d'utiliser moins d'eau et d'huile. Selon l'Association de digestion anaérobie et de bioressources, « 1 tonne d'engrais artificiel remplacée par du digestat permet d'économiser 1 tonne de pétrole, 108 tonnes d'eau et 7 tonnes d'émissions de CO2 ».
Eau
L’eau qui est un sous-produit de l’AD est assez minime et peut être réutilisée pour les cycles ultérieurs.
Avantages de la digestion anaérobie
Lorsque les déchets organiques sont déposés dans des décharges, ils produisent une énorme quantité de gaz à effet de serre, notamment du dioxyde de carbone et du méthane . La digestion anaérobie peut jouer un rôle important dans le traitement des déchets organiques et dans l'élimination, par une capture et un traitement plus efficaces, de ces émissions de gaz à effet de serre, en les convertissant en produits utiles. La digestion anaérobie récupère l'énergie qui serait autrement perdue dans l'atmosphère et produit des biofertilisants précieux. Le biogaz peut être utilisé pour produire de l'électricité, de la chaleur, des biocarburants ou être nettoyé et injecté dans le réseau de gaz. Un système de digestion anaérobie permet d'économiser de l'argent et peut également générer un petit revenu pour ceux qui le produisent. La transformation du fumier en engrais contribue à créer un engrais plus nutritif et élimine les bactéries qui peuvent provoquer des maladies. Les digestions anaérobies peuvent être adaptées à la plupart des exploitations agricoles et, même à petite échelle, peuvent réduire considérablement la consommation de gaz et les émissions.
Projets connexes
Voir aussi
- Digestion anaérobie Bokashi : un procédé de digestion anaérobie domestique, c'est-à-dire pour les déchets de cuisine
- Recycler les déchets agricoles pour produire de l'eau chaude
Références
- ↑ Un camion a fait 25 fois le tour de la Terre en utilisant du gaz issu de déchets biodégradables
- ^ http://www.zerowasteenergy.com/content/dry-anaerobic-digestion
- ↑ Voir brochure Bioferm_Trockenfermentation.pdf sur www.graskracht.be
- ^ http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/OSTREM%202004%20Kompogas.jpg
- ↑ Voir graskracht_25-11-2011_Isabella Wierinck_OWS.pdf sur www.graskracht.be
- ↑ Voir 25092012 Droogvergisten Jan klein Hesselink Ekwadraat.pdf sur www.graskracht.be
- ↑ Notez que même si cela ressemble au compostage, ce n'est pas la même chose, car la digestion sèche utilise la digestion anaérobie, le compostage utilise une digestion aérobie. L'air est maintenu à l'écart du processus de digestion sèche à l'aide de joints hermétiques (permettant néanmoins de laisser sortir le biogaz)