La valorisation des produits organiques par méthanisation (Biogaz)

BIOGAZ

Introduction

Presque tous les pays en développement manquent de combustibles sûrs, bon marché et pratiques. Les populations rurales comptent sur le kérosène, le bois et la bouse de vache pour la cuisson et l’éclairage, mais le prix du kérosène est devenu prohibitif et le bois se fait rare sauf dans les grandes zones forestières. En outre, la collecte du bois de chauffage occupe une grande partie de la journée et entraîne le déboisement de vastes régions. La bouse, elle, ne manque pas dans les régions d’élevage; elle est de plus facile à entreposer et à utiliser, une fois sèche. Mais en brûlant, elle perd ses principes fertilisants et prive le sol d’une source d’humus et d’azote dont il aurait besoin. D’autre part, l’absence de services d’hygiène collective dans les zones rurales des pays en développement, notamment pour l’évacuation des eaux usées et des déchets, favorise la propagation des maladies et la contamination des sources d’eau, offrant ainsi aux vecteurs un terrain idéal pour leur multiplication. Comment assainir l’environnement, ménager les ressources et trouver de nouveaux combustibles? Ces problèmes paraissent de prime abord n’avoir aucun lien commun. Leurs solutions sont toutefois liées, comme sont en train de le découvrir les nombreux pays qui tentent d’exploiter la technologie du biogaz. Mélange de méthane et d’anhydride carbonique, le biogaz résulte de la fermentation des substances organiques. Plusieurs sources de biogaz sont exploitables : méthanisation naturelle des déchets urbains au sein des décharges ; méthanisation volontaire des ordures ménagères brutes ou de leur fraction fermentescible, des boues de stations d’épuration des eaux urbaines ou industrielles, des déchets solides ou liquides issus de diverses activités industrielles ou agricoles. En théorie, quelles que soient les conditions dans lesquelles s’effectue la fermentation, la quantité de méthane produite pour une même quantité de DCO  » demande chimique en oxygène » dégradée est une constante égale à 0,35 m3/kg. Cette quantité n’est évidemment jamais atteinte : rendement biologique, rendement technologique, taux de dégradation, durée de traitement varient largement d’un procédé à l’autre.

La valorisation des produits organiques par méthanisation (Biogaz)

Caractéristiques

Le biogaz est un gaz combustible, mélange de gaz carbonique et de méthane, qui provient de la dégradation des matières organiques mortes, végétales ou animales, dans un milieu en raréfaction d’air dit  » fermentation anaérobie « . Cette fermentation est le résultat de l’activité microbienne naturelle ou contrôlée. C’est également un gaz riche en méthane, mais qui comporte des éléments difficiles à traiter, notamment les organes halogénés (chlore et fluor) provenant de la décomposition des plastiques et de la présence de déchets toxiques (bidons de lessive, piles…).
Le biogaz est produit à partir de la fermentation. Il existe donc plusieurs sources possibles d’émission suivant leurs caractéristiques :
• les boues des stations d’épuration,
• le biogaz provenant des matières organiques contenues dans les eaux. C’est un gaz riche en méthane, en hydrogène sulfuré, mais aussi en métaux lourds, provenant du recueil des eaux polluées par le lessivage des routes par la pluie,
• les biogaz industriels ou agricoles (des industries agro-alimentaires, du lisier de porc),
• les biogaz des unités spécifiques de méthanisation liée au compostage,
• le biogaz de décharge.
Les décharges produisent spontanément du biogaz car les déchets fermentescibles y sont régulièrement déposés. L’émission peut durer plusieurs dizaines d’années, d’abord à un rythme croissant, puis décroissant. Le processus peut être accéléré en humidifiant la matière, auquel cas le potentiel de production peut être récupéré entre 5 ou 10 ans. Sans installation particulière autre que le captage des gaz dans les alvéoles, on peut ainsi récupérer 60 m3 de méthane par tonne enfouie.

Composition du biogaz

Composition du biogaz Méthane (CH4) 45 à 65 % Gaz carbonique (CO2) 25 à 45 % Eau (H2O) 6 % Oxygène (O2) Hydrogène sulfuré (H2S) traces Organo-halogénés (chlore, fluor) Suivant sa provenance, le biogaz contient aussi des quantités variables d’eau, d’azote, d’hydrogène sulfuré (H2S), d’oxygène, d’aromatiques, de composés organo-halogénés (chlore et fluor) et des métaux lourds, ces trois dernières familles chimiques étant présentes à l’état de traces.
Le biogaz est produit par un processus de fermentation anaérobie (en absence d’air) des matières organiques animales ou végétales, qui se déroule en trois étapes (hydrolyse, acidogénèse et méthanogénèse) sous l’action de certaines bactéries.
Ce processus est naturel et l’on peut l’observer par exemple dans les marais (« gaz de marais »). Il se déroule spontanément dans les centres d’enfouissement des déchets municipaux, mais on peut le provoquer artificiellement dans des enceintes appelées « digesteurs » où l’on introduit à la fois les déchets organiques solides ou liquides et les cultures bactériennes. Cette technique de méthanisation volontaire peut s’appliquer aux ordures ménagères brutes ou à leur fraction fermentescible, aux boues de stations d’épuration des eaux usées urbaines ou industrielles, aux déchets organiques industriels tel que industrie agro-alimentaire (IAA), cuirs et peaux, chimie, parachimie,…), ainsi qu’aux déchets de l’agriculture et de l’élevage (fientes, lisier, fumier,…).

Dépollution et production d’énergie

La méthanisation spontanée ou provoquée est donc avant tout par un processus de dégradation des déchets organiques et participe de ce fait à la dépollution et à la protection de l’environnement. Exprimé en « demande chimique en oxygène » (DCO), le taux de réduction atteint 50 à 60% pour les déchets d’élevage et 75 à 99% pour les déchets des IAA. De même, le taux de dégradation de la matière sèche volatile se situe entre 6 et 85% pour les ordures ménagères et aux environs de 70% pour les boues de stations d’épuration des eaux urbaines. Cette technique de traitement des déchets et effluents polluants présente la caractéristique très particulière de produire de l’énergie au lieu d’en consommer. Le méthane produit est évidemment le même que celui du gaz naturel et il possède donc la même valeur technique et commerciale. Mais le biogaz ne contient pas que du méthane. Le tableau ci-dessous indique la composition moyenne de trois sortes de biogaz issues de trois filières de production différentes : la fermentation spontanée au sein d’une décharge équipée d’une aspiration du biogaz (Biogaz 1), une installation de méthanisation d’ordures ménagères brutes, type Valorga (Biogaz 2), une installation de méthanisation d’effluents industriels, ici ceux d’une distillerie (Biogaz 3).