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RÉSUMÉ
La méthanisation est un processus biologique de dégradation de la matière organique. Elle est basée sur des réactions naturelles de fermentation réalisées par des populations de bactéries anaérobies et est couramment appelée digestion anaérobie. Dans le milieu naturel, la méthanisation est notamment à l’origine de phénomènes spontanés tels que les feux follets ou les émissions de gaz des marais. Appliquée d’abord à la valorisation des sous produits d’élevage, la méthanisation est aujourd’hui aussi utilisée pour l’épuration et la valorisation des effluents industriels chargés en matière organique.
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Methanization is a biological degradation process of organic matter. It is based on natural reactions of fermentation carried out by populations of anaerobic bacteria and is commonly called anaerobic digestion. In the natural environment, Methanization is notably at the origin of spontaneous phenomena such as will o' the wisps or gas emissions in swamps. Firstly applied to the valorization of cattle farming sub-products, methanization is nowadays also used for the treatment and recovery of industrial effluents highly loaded in organic matter.
Auteur(s)
-
Sylvain FRÉDÉRIC : Ingénieur diplômé de l’Institut national agronomique (Paris Grignon) - Directeur de la recherche et du développement de la société Naskeo Environnement
-
Aurélien LUGARDON : Ingénieur diplômé de l’École Centrale Paris - Président de la société Naskeo Environnement
INTRODUCTION
La méthanisation est un processus biologique de dégradation de la matière organique. Elle se déroule en l’absence d’oxygène et conduit à la formation d’un biogaz énergétique riche en méthane. Elle est basée sur des réactions naturelles de fermentation réalisées par des populations de bactéries anaérobies et est couramment appelée digestion anaérobie. Dans le milieu naturel, la méthanisation est notamment à l’origine de phénomènes spontanés tels que les feux follets ou les émissions de gaz des marais.
Le biogaz issu de méthanisation est un mélange inflammable composé principalement de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2). Valorisé, ce biogaz est une source d’énergie renouvelable dans la mesure où il est issu de matières organiques d’origine végétale ou animale, dont les cycles de renouvellement sont courts. Utilisée au service de l’Homme, la méthanisation s’avère être un outil efficace de réduction des pollutions organiques et de production d’énergie.
Sa première application, qui reste à l’heure actuelle la plus importante en nombre d’unités, fut la valorisation énergétique à la ferme des sous-produits d’élevage. Des pays tels que l’Allemagne ou la Chine comptent de très nombreuses sources délocalisées d’énergie sous forme de biogaz agricole. Depuis le début des années 1970, de nombreux travaux de recherche et de développement dans le domaine de la méthanisation ont contribué à une application toujours plus performante du processus à l’épuration et à la valorisation des effluents industriels chargés en matière organique. Le succès de l’application de la méthanisation au traitement des eaux usées industrielles tient particulièrement au fait qu’elle engendre une production nette d’énergie, contrairement aux procédés d’épuration aérobies classiques, dont l’aération requiert de fortes dépenses électriques. Un autre avantage de la méthanisation est la faible production de boues comparativement aux stations aérobies. Enfin, le traitement anaérobie des effluents s’effectue généralement à plus forte charge que les procédés aérés classiques, ce qui permet une réduction de l’encombrement et des ouvrages.
Le présent document aborde dans un premier temps les aspects théoriques de la méthanisation des effluents industriels, en détaillant les processus réactionnels associés. La seconde partie présente les critères technologiques de choix du procédé de méthanisation en fonction des caractéristiques de l’effluent à traiter. Certaines technologies de méthanisation y sont présentées, avec leurs avantages et inconvénients respectifs. Enfin, la dernière partie décrit la mise en œuvre d’une unité industrielle de méthanisation. Le dimensionnement et les principaux choix sont détaillés, que ce soit pour le réacteur anaérobie lui-même, le contrôle, ou les aspects de valorisation du biogaz produit. Des exemples de réalisations industrielles illustrent les différentes options de mise en œuvre.
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- Version courante de nov. 2017 par Diana GARCIA-BERNET, Jean-Philippe STEYER, Nicolas BERNET
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Technologies de méthanisation des effluents industriels1. Principe de méthanisation : flux métabolique et microbiologie
La méthanisation est une fermentation dite « méthanique » qui peut être séparée en plusieurs étapes biochimiques correspondant à l’action de différents groupes bactériens. En réalité, ces groupes de micro-organismes interagissent entre eux pour leurs besoins physiologiques. Ils sont étroitement interdépendants les uns des autres, à des degrés divers, allant jusqu’à la dépendance obligatoire, c’est-à-dire ne pouvant pas vivre l’un sans l’autre. Selon un consensus général, les auteurs s’accordent pour décrire la méthanisation en 3 ou 4 étapes majeures (figure 1) :
-
hydrolyse des composés organiques complexes ;
-
acidogénèse des monomères en acides gras (majoritairement des acides gras volatils) en certains acides organiques (lactate, succinate), en alcools (éthanol), en hydrogène et dioxyde de carbone ;
-
acétogénèse qui conduit, à partir des produits de l’hydrolyse ou de l’acidogénèse, à la formation d’acétate, de H2 et de CO2 ;
-
méthanogénèse stricto sensu qui, à partir de H2 et de CO2 ou de l’acétate, conduit à la formation de méthane.
Les deux premières étapes peuvent être regroupées en une seule car elles ne correspondent pas vraiment à deux groupes de bactéries bien distincts.
Contrairement aux fermentations aérobies qui s’accompagnent d’un fort dégagement de chaleur, les fermentations anaérobies ne sont que très faiblement exothermiques.
1.1 Hydrolyse et acidogénèse
-
Durant les premières étapes de la méthanisation, les bactéries hydrolysent les substrats organiques (polysaccharides, protéines et lipides) en oligo ou monomère (monosaccharides, acides gras, acides aminés), généralement sous l’action des enzymes extracellulaires et de l’eau. Cette transformation permet de rendre assimilable le substrat par les bactéries. Selon le substrat et la température, les bactéries hydrolytiques intervenant dans ce processus sont différentes. L’étape d’hydrolyse est l’étape limitante dans le processus global de méthanisation par rapport aux autres étapes,...
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Principe de méthanisation : flux métabolique et microbiologie
ANNEXES
Les tableaux et donnent le nombre de méthaniseurs installés dans le monde suivant le type d’industrie en 2000.
HAUT DE PAGE
ERICKSON (L. E.) - FUNG (D. Y-C.) - Handbook on anaerobic fermentations. - Marcel Dekker, Inc (1988).
FERRERO (G. L.) - FERRANTI (M.P.) - NAVEAU (H.) - Anaerobic digestion and carbohydrate hydrolysis of waste. - Elsevier applied science publishers Ltd (1984).
KASHYAP (D. R.) - Biomethanation under psychrophilic conditions : a review. - Bioresource Technology, 87, p. 147-153 (2003).
LA FARGE (B. de) - Le biogaz, procédé de fermentation méthanique. - Masson (1995).
MACARIE (H.) - Overview of the application of anaerobic treatment to chemical and petrochemical wastewaters. - Water Science and Technology, vol. 42, No 5-6, p. 201-214.
MALINDA (J. F.) - POHLAND (F. G.) - Design of anaerobic processes for the treatment of...
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