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RÉSUMÉ
Dans un premier temps les aspects théoriques de la méthanisation des effluents industriels sont abordés en détaillant les processus réactionnels associés. Sont ensuite présentés les critères technologiques de choix du procédé de méthanisation en fonction des caractéristiques de l’effluent à traiter, ainsi que les principales difficultés opérationnelles liées au traitement d’effluents complexes. Certaines technologies de méthanisation y sont exposées, avec leurs avantages et inconvénients respectifs. Enfin, la mise en œuvre d’une unité industrielle de méthanisation est décrite. 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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In this article, the theoretical aspects of the methanization of industrial effluents are first discussed, and the associated reaction processes detailed. The technological criteria for choosing a methanization process are then presented according to the characteristics of the effluent to be treated, together with the main operational difficulties related to the treatment of complex effluents. Some methanization technologies are described, with their respective advantages and disadvantages. Finally, the implementation of an industrial methanation unit is described. The sizing and the main choices are detailed, whether for the anaerobic reactor itself, for control, or for the valorization of the biogas produced. Examples from industry illustrate the different implementation options.
Auteur(s)
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Diana GARCIA-BERNET : Ingénieur de recherche Laboratoire de biotechnologie de l’environnement INRA, Narbonne, France
-
Jean-Philippe STEYER : Directeur de recherche Laboratoire de biotechnologie de l’environnement INRA, Narbonne, France
-
Nicolas BERNET : Directeur de recherche Laboratoire de biotechnologie de l’environnement INRA, Narbonne, France
INTRODUCTION
La digestion anaérobie ou méthanisation est un processus biologique naturel qui, réalisé au sein de procédés maîtrisés, permet de traiter efficacement la pollution organique et de produire du biogaz dont le composé majoritaire, le méthane, peut être valorisé énergétiquement sous forme d’électricité, de chaleur, de GNV ou être injecté dans le réseau de gaz naturel. Appliquée d’abord à la valorisation des sous-produits d’élevage, la méthanisation est aujourd’hui largement utilisée pour l’épuration et la valorisation des effluents industriels chargés en matière organique.
La méthanisation transforme la matière organique, sous forme soluble ou solide, conduisant à la formation de biogaz, mélange gazeux composé principalement de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2). Elle est réalisée en absence d’oxygène par une communauté microbienne diverse dans des écosystèmes naturels variés : les sédiments marins et d’eau douce, les tractus digestifs d’animaux, les décharges, les sols, etc. Elle est notamment à l’origine de phénomènes spontanés tels que les feux follets ou les émissions de gaz des marais.
Le biogaz issu de la méthanisation est un mélange inflammable qui peut contenir, en plus du CH4 (50 à 70 % en volume) et du CO2 (25 à 45 % en volume), des quantités variables de vapeur d’eau, de H2S et de traces d’H2 et d’autres composés minoritaires.
Valorisé, le 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, a été la valorisation énergétique à la ferme des sous-produits d’élevage et de l’agriculture. 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 aérobies, ce qui permet une réduction de l’encombrement des ouvrages.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes et expressions importants de l’article.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
anaerobic digestion | biogas | cleanup
VERSIONS
- Version archivée 1 de sept. 2007 par Sylvain FRÉDÉRIC, Aurélien LUGARDON
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Technologies de méthanisation des effluents industriels
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1. Principe de méthanisation : flux métabolique et microbiologie
La digestion anaérobie ou méthanisation est une réaction de dégradation de la pollution organique. Par matière polluante organique, on entend matière constituée de molécules contenant des liaisons carbone-hydrogène (C—H). L’objectif de la digestion anaérobie est de minéraliser le carbone provenant de molécules complexes, en phase liquide ou solide, en méthane (CH4) et gaz carbonique (CO2) présents dans le biogaz .
Le processus de digestion anaérobie est effectué en plusieurs étapes biochimiques correspondant à l’action de différents groupes de micro-organismes. En réalité, ces groupes de micro-organismes, présents dans le digesteur grâce à l’ensemencement réalisé lors du démarrage de l’installation, 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 ;
-
acidogenèse 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 ;
-
acétogenèse qui conduit, à partir des produits de l’hydrolyse ou de l’acidogenèse, à la formation d’acétate, de H2...
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Principe de méthanisation : flux métabolique et microbiologie
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ASHRAFI (O.), YERUSHALMI (L.), HAGHIGHAT (F.) - Wastewater treatment in the pulp-and-paper industry : a review of treatment processes and the associated greenhouse gas emission. - Journal of Environmental Management, 158, p. 146-157 (2015).
-
(2) - BARRET (M.), DELGADILLO-MARQUEZ (L.), TRABLY (E.), DELGENES (N.), BRAUN (F.), CEA-BARCIA (G.), STEYER (J.P.), PATUREAU (D.) - Anaerobic removal of trace organic contaminants in sewage sludge : 15 years of experience. - Pedosphere, 22(4) (2012).
-
(3) - BEC (A.), BOUTIN (F.), DELAUNOIS (P.), BEILLEVAIRE (J.), GIREAUDAU (A.), MOREAU (S.), MAUGUEN (G.), PALKA (T.), PETEGNIEF (G.), DAVID (C.), MARC (F.), SALLE (B.) - Méthanisation de déchets issus de l’élevage, de l’agriculture et de l’agroalimentaire. Risques et prescriptions de sécurité. - Rapport INRS ED 6153 (2013).
-
(4) - BERNET (N.), MOLETTA (R.) - Dénitrification dans les réacteurs de méthanisation. Colloque « Serge Winogradsky aujourd’hui ». - SIAAP, Colombes, 12 oct. 2006 http://moletta-methanisation.fr
-
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Fiches exemples de sites de méthanisation du Club BIOGAZ http://atee.fr/biogaz
Technologies du traitement des effluents par méthanisation, par René Moletta https://www.lavoisier.fr/livre/environnement/la-methanisation-3e-ed/moletta/descriptif-9782743019914
Memento Degremont® de Suez https://www.suezwaterhandbook.fr
Fiche technique Méthanisation ADEME https://www.ademe.fr
Exemples de réalisations constructeur Valbio http://www.valbio.com
Exemples de réalisations constructeur Waterleau http://www.waterleau.com...
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