Les différents types de procédés - Agire

Les technologies de méthanisation
EREP SA
Chemin du Coteau 28
CH - 1123 Aclens
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Fax : +41 21 869 01 70
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www.erep.ch

Objectifs
• Comprendre le fonctionnement d'un digesteur et de ses périphériques
• Être capable de reconnaître la technique la plus appropriée pour son
projet
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1. Rappel de fondamentaux
Le processus biologique
Les paramètres essentiels
Contenu
2. Les différents types de procédés
Classification
Principe de fonctionnement
Exemples et application
Discussion
3. Points clefs
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La méthanisation se fait en
4 étapes successives,
chacune étant assurée par
une famille de bactéries
différentes et qui doivent
cohabiter…
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Rappel des fondamentaux – Le processus biologique
• Bactéries anaérobies et Archea
• Micro-organismes vivants donc sensibles à de nombreux facteurs,
dont :
Présence de nutriments
Présence d’eau
Présence de toxiques
Température
Modification d’environnement
Compétition avec d’autres micro-organismes
• Micro-organismes vivants donc capables de s’adapter à des
modifications d’environnement
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Rappel des fondamentaux – Le processus biologique
• Processus complexe
• Quatre étapes successives :
Hydrolyse acidogenèse acétogenèse méthanogenèse
Chaque étape est réalisée par un « groupe » de micro-organismes
spécifiques
Dans chaque groupe des spécificités, par ex dans le groupe des
hydrolytiques : cellulolytiques, protéolytiques, lipolytiques, …
Complexité = un grand nombre de micro-organismes possédant des
caractéristiques différentes qui doivent travailler ensemble
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Rappel des fondamentaux – Le processus biologique
* OHPA : « Obligate
Hydrogen Producing
Acetogens »
* SAO : « Syntrophes
Acetate Oxydyzing »
Macro-molécules organiques
Monomère solubles
Bactéries fermentaires
Acides organiques
C2-C5 (AGV)
propionate
butyrate
lactate
formate
Acétate H2 , CO2
Archea méthanogènes
acétoclastes
Bactéries hydrolytiques (fermentaires)
Bactéries OHPA*
Bactéries SAO*
cellulose
amidon
proteines
graisses
Archea méthanogènes
Hydrogénophiles
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, CO2
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Rappel des fondamentaux – Le processus biologique
La vitesse de production du méthane est limitée par la vitesse la plus lente
de l’ensemble = étape limitante
• Phase d’hydrolyse : vitesses très variables
- Est en général limitante pour les substrats solides
- D’autant plus lente que le substrat est polymérisé, avec les liaisons
intermoléculaires
- Limitée par l’accessibilité au substrat
• Phase d’acidogénèse : vitesse rapide
- A partir de molécules simples du substrat
- A partir de molécules simples produites par l’hydrolyse
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Rappel des fondamentaux – Le processus biologique
• Phases acétogène et méthanogène :
- Vitesse lente, limitante pour les substrats solubles ou à hydrolyse
rapide
- Phénomènes d’inhibition par le substrat
Inhibition par l’hydrogène produit par les OHPA
Inhibition par l’acétate
- Phénomènes de shifts de voies métaboliques
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Pour que la
digestion se fasse de
façon optimale, il
faut que…
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Rappel des fondamentaux – Les paramètres importants
• Composition du substrat
• Température de fonctionnement
• Temps de séjour des micro-organismes
• Charge organique
• Contact bactérie/substrat = préparation du substrat
• Echange des métabolites = homogénéisation
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Rappel des fondamentaux – Les paramètres importants
TEMPERATURE
• Deux zones privilégiées :
- 30-42 °C = zone mésophile
- 50-60 °C = zone thermophile
• T° vitesse de réaction, hygiénisation
• Micro-organismes spécifiques pour chaque température T° constante
• Mésophile bilan énergétique plus favorable
• Thermophile digesteur plus petit, hygiénisation plus poussée
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Rappel des fondamentaux – Les paramètres importants
TEMPS DE SEJOUR
• Deux notions :
- Le temps de séjour des micro-organismes (TSμorg)
- Le temps de séjour hydraulique (ou TRH)
• Le TS des microorganismes doit être suffisant pour que l’ensemble
puisse se multiplier :
- Cas 1 : TSμorg = TSH
Procédé batch (statique)
Procédé continu (dynamique) simple
- Cas 2 : TSμorg > TSH
Procédé continu à biomasse fixée, retenue ou recirculée
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Rappel des fondamentaux – Les paramètres importants
CHARGE ORGANIQUE VOLUMIQUE
• Quantité de matière organique biodégradable (DCO, COT, ...) par jour
et par volume utile de réacteur
• Prend en compte :
1. Débit d’alimentation du bioréacteur (TSH)
2. Concentration en matière organique biodégradable dans
l’alimentation
COV maxi dépend de la nature du substrat, de la T°, de la
concentration en biomasse active dans le digesteur
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Rappel des fondamentaux – Les paramètres importants
CONTACT MICRO-ORGANISMES / SUBSTRATS
Deux notions fondamentales :
- Surfaces de contact
- Echanges de métabolites entre les micro-organismes
Préparation des substrats (broyage, dilution)
Teneur en matière sèche et brassage du digesteur
Plus la teneur en matière sèche est élevée dans le digesteur et plus le
système de brassage doit être performant.
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Rappel des fondamentaux – Les paramètres importants
PREPARATION DES SUBSTRATS
• Pour les déchets solides :
- Prétraitement « mécano-biologique » type BRS
- Retirer les indésirables : tris mécaniques, magnétiques, … (taille,
densité, forme, nature,...)
- Réduire la granulométrie (broyer)
- Ajouter un diluant (selon teneur en MS souhaitée)
- Si procédé liquide : dilacérer, défibrer, solubiliser
• Pour des produits gras : liquéfier (chauffer), émulsionner
• Pour les mélanges : homogénéiser (mélangeur)
• Pour les sous-produits animaux : hygiéniser
• Selon procédé : ensemencer (recirculation de digestat), pré-chauffer,
....
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Rappel des fondamentaux – Les paramètres importants
HOMOGENEISATION DANS LE DIGESTEUR
• Dépend de la consistance des matières
• Doit être d’autant plus performant
- Que la teneur en matière sèche est élevée
- Qu’il y a des séparations de phases (flottation de graisses, décantation
de solides,...)
Brassage mécanique
Brassage « pneumatique » par le biogaz (naturel, direct par
injection, indirect par convection)
Brassage par recirculation (digestat, percolat)
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Un certain nombre
de procédés sont
possibles, mais le
choix est fonction
de mon projet…
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Les différents types de procédés - Classification
Critère Procédé Commentaire
Mode d’alimentation − Continu
Teneur en MS du
mélange introduit
− Discontinu (batch)
− Digestion liquide
− Digestion sèche
− Alimentation régulière du
digesteur
− Remplissage et extraction du
substrat par charges
− Mélange liquide ou produits
solides après liquéfaction
et/ou dilution
− Produits solides ou pâteux
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Les différents types de procédés - Classification
Critère Procédé Commentaire
− Type de mélange − Infiniment mélangé
− Mode d’agitation
dans le digesteur
− Flux piston
− Mécanique
− Pneumatique
− Hydraulique
− Matière liquide
− Matière pâteuse
− Lié à la composition et à la
consistance du mélange à
traiter et à la taille du
digesteur
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Les différents types de procédés - Classification
Critère Procédé Commentaire
− Nombre d’étapes
du process
− Différenciation des
phases biologiques
− Un digesteur
− Deux digesteurs en
série ou un postdigesteur
− Mono-étape
− Multi-étapes
− Percolation
− Pas de différenciation des
phases biologiques
− Hydrolyse et
méthanogenèse dans un
seul réacteur
− Hydrolyse et
méthanogenèse
physiquement séparées
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Les différents types de procédés - Classification
Critère Procédé Commentaire
Rétention de la
biomasse
bactérienne dans le
digesteur
Géométrie du
digesteur
Matériau − Béton
− UASB (upflow
anaerobic sludge
blanket)
− Support (lit fixé, lit
fluidisé…)
− Enterré / hors sol
− Cylindrique /
parallélépipédique /
ovoïde
− Horizontal / vertical
− Acier
− Pour les effluents liquides
à charge dissoute
− Dépend beaucoup de la
taille du digesteur
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Les différents types de procédés – Principes de fonctionnement
Procédé discontinu (batch)
inoculum inoculum
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Les différents types de procédés – Principes de fonctionnement
Continu, 1 étape, infiniment mélangé
brassage mécanique
brassage
pneumatique par
convection
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Les différents types de procédés – Principes de fonctionnement
Continu, 1 étape, infiniment mélangé, prétraitement mécanique
(pulpeur)
Pré-traitement
mécanique
Rejet
solide
Liquide
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Les différents types de procédés – Principes de fonctionnement
Continu, 1 étape, piston, « solide »
Brassage
mécanique
Brassage
pneumatique
Brassage par
recirculation
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Les différents types de procédés – Principes de fonctionnement
Procédés à rétention de biomasse (High-tech) : UASB, lit fixé
Granules
Support
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Les différents types de procédés – Principes de fonctionnement
Continu, multi-digesteurs
Digesteur principal
Post-digesteur
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Les différents types de procédés – Principes de fonctionnement
2 étapes (biologiques), batch + continu (simple ou lit fixé)
Hydrolyse
Acidogénèse
Séparation
mécanique
Rejet solide (non
hydrolysé)
Liquide
Acides
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Les différents types de procédés – Applications
Substrat Procédé Préparation
Effluents liquides <
10 g/l MES
> 50 g/l MES
− UASB (upflow
anaerobic sludge
blanket)
− Support (lit fixé, lit
fluidisé…)
− Infiniment mélangé
Boues de station − Infiniment mélangé
− Brassage mécanique,
pneumatique
− Vertical, cylindrique
ou ovoïde
− Complémentation
− Flottation
− Egouttage
− Sonication, broyage fin,
oxydation voie humide, ….
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Les différents types de procédés – Applications
Substrat Procédé Préparation
Codigestion agricole:
mélange liquidesolide
à teneur en MS
< 15%
Déchets solides :
très fermentescibles
− Infiniment mélangé
− Brassage dépend de la
consistance du
mélange
− Digesteurs en série
(TS garanti, stockage)
− Infiniment mélangé
liquide
− Deux étapes
biologiques
(acidification)
− Mélange préalable ou
introduction séparée
liquide/solide
− Hygiénisation co-produits
− (Broyage)
− Hygiénisation
− Séparation liquide/solide
intermédiaire
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Les différents types de procédés – Applications
Substrat Procédé Préparation
Déchets solides
ménagers
Déchets solides
agricoles
− Continu, piston, sec
− Discontinu sec
− Infiniment mélangé
liquide
− Continu, piston, sec
− Discontinu sec
− Broyage et tri poussé,
dilution modérée
− Broyage et tri sommaire
− Dilution importante, mise
en suspension, tri poussé
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Procédé Bekon (D)
Les différents types de procédés – Exemples
Procédé batch sec
Procédé BIOFERM (D)
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Procédé Genesys (CH)
Les différents types de procédés – Exemples
Procédé WELTEC (DE)
Digesteurs agricoles
Procédé infiniment mélangé
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Les différents types de procédés – Exemples
Procédé Krieg & Fisher
Digesteurs acier pour ensilages
Digesteurs agricoles
Digesteur enterré à la
ferme
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Les différents types de procédés – Exemples
Procédé BRV à Lille Métropole
Procédé 1 étape, sec, piston,
mélange mécanique
Procédé Axpo-Kompogas
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Les différents types de procédés – Exemples
Procédé 1 étape, sec, piston, mélange pneumatique ou hydraulique
Procédé Valorga Procédé Dranco
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Procédé Paques IC
Les différents types de procédés – Exemples
Procédé à rétention de
biomasse (UASB) et
à biomasse fixée
Support de fixation
Proserpol
Procédé VOR UASB
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Digesteur cylindrique
Les différents types de procédés – Exemples
Procédé infiniment mélangé
Boues de step
Digesteurs ovoïdes
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Les différents types de procédés – Exemples
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Points clefs
• Les bactéries anaérobies sont des micro-organismes vivants
nécessitant des conditions optimales.
• Les paramètres essentiels sont la composition du substrat, la
température, le temps de séjour, la charge organique, la préparation
et l’homogénéisation du substrat
• Les types de procédés sont batch / continu, 1 étape / 2 étapes,
infiniment mélangé / piston, liquide / solide, sans rétention de
biomasse / avec rétention.
• Le choix d’une technologie est fonction notamment du gisement et de
la taille de l’installation
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