Récentes réalisations de méthanisation des effluents des industries agro-alimentaires et chimiques

Le développement de cette technique a permis de mettre au point des filtres bactériens aérobies à haute performance. Le procédé utilisé est une digestion anaérobie en température mésophile à un seul étage utilisant le film descendant et un média plastique à remplissage aléatoire.

De nombreuses unités de taille industrielle utilisant cette technologie sont maintenant opérationnelles dans de nombreux domaines industriels.

La technologie du film fixé a d'abord été développée au laboratoire vers les années 1978 dans des unités de 25 l et, dès 1981, le premier pilote de ce type, d'une capacité de 20 m³, a pu être expérimenté pendant deux ans pour traiter des vinasses de distillerie de la région Armagnac.

Le pilote, contrôlé par un automate programmable qui a permis d'enregistrer plus de 200 000 données, a non seulement confirmé, mais amélioré les résultats obtenus au laboratoire :

• — réduction des DBO* et DCO de plus de 90 % pour des charges de plus de 15 kg de DCO par m³ de digesteur et par jour,
• — facilités d'exploitation,
• — redémarrage rapide après un arrêt de plusieurs mois entre campagnes,
• — bonne résistance à la présence des toxiques,
• — fiabilité du système.

Depuis cette opération, d'autres pilotes de taille industrielle ont pu être expérimentés dans des industries aussi diverses que les distilleries de mélasse de canne, les raffineries de sucre, les levureries, les amidonneries, les fromageries, la pétrochimie et l'industrie du papier. Le procédé a été constamment amélioré à l'usage et c'est ainsi que la réduction de DBO a, dans la majorité des cas, dépassé 90 % et que l'abattement de DCO, suivant les domaines, s'est situé entre 65 et 95 %, ceci malgré des charges organiques élevées (jusqu'à 20 kg de DCO par jour par m³ de digesteur).

Pour permettre d'obtenir un rejet conforme à la réglementation, un traitement aérobie secondaire, utilisant filtre bactérien ou boues activées, a pu démontrer la possibilité d'une épuration de DBO et de DCO de plus de 98 % dans la plupart des cas.

La production de biogaz dépassant les 8 m³/jour et par m³ de digesteur a représenté une moyenne de 0,35 Nm³ par kg de DCO éliminée.

Quand le substrat est insuffisamment concentré (plus de 8 000 mg/l de DCO), on a constaté que la balance énergétique est en général positive et que cette limite descend à 2 000 mg/l de DCO si l'on utilise un échangeur entre l'entrée et la sortie du digesteur.

Si une source de chaleur à basse température est disponible dans l'usine, ce qui est souvent le cas, la totalité de la production de méthane peut être utilisée, soit dans une chaudière pour produire de la vapeur, soit dans un groupe électrogène pour produire de l'électricité ; dans ce dernier cas, le taux de conversion atteint 1,2 kWh par kg de DCO éliminée.

De nombreuses unités industrielles utilisant cette technologie ont été mises en service depuis 1983, notamment dans les domaines suivants : distilleries de vin et de mélasse, raffineries de sucre, conserveries, confitureries, laiteries et fromageries, industries chimiques, et également dans les porcheries.

Caractéristiques techniques du procédé

La technologie à film fixé, grâce à laquelle on peut concentrer dans le digesteur une quantité importante de biomasse (nécessaire pour traiter des charges importantes), est particulièrement adaptée à la digestion anaérobie ; en effet, si les micro-organismes anaérobies n'ont pas besoin d'oxygène.

gazeux pour leur métabolisme, ce qui permet ainsi de convertir une grande partie de la matière organique en méthane utilisable ; par contre, leur développement est lent et des pertes de micro-organismes dans l'effluent traité empêchent d’obtenir une biomasse suffisante pour traiter des quantités significatives de matière organique. D’autre part, la séparation de ces micro-organismes après le digesteur par un moyen mécanique comme la décantation ne permet pas de résoudre cette difficulté, car elle ne récupère pas la totalité de la biomasse ; de plus, elle recycle à l'intérieur du digesteur des matières en suspension minérales indésirables.

Quant aux membranes, elles ne peuvent être utilisées que lorsque l'effluent ne contient aucune matière en suspension, ce qui n’est pas le cas pour la plupart d’entre eux, notamment ceux des industries agro-alimentaires.

Fixer la biomasse sur un support inerte est à ce jour la meilleure méthode utilisée pour obtenir une concentration suffisante de biomasse active.

Charge massive et volumique

De récentes études ont montré que le taux de dégradation par la digestion anaérobie des différentes matières organiques peut être estimé entre 0,3 et 1 kg de DCO par kg de MVS et par jour (Reynolds et Colleran, Van den Berg, etc.). Cette charge dépend des substrats traités et de la technologie employée.

Le concept des charges massiques utilisé par les techniques à biomasse dispersée n'est pas directement applicable aux technologies à culture fixée pour lesquelles il est difficile de mesurer la concentration en biomasse. Pour ces dernières, seul le concept de charge volumique est utilisé pour permettre le dimensionnement. La quantité de biomasse fixée sur le média doit néanmoins être connue et peut être déterminée par des essais. La technologie à culture fixée nécessite de ce fait des essais extensifs pour chaque type d’industrie, mais, à partir de cette expérience et sur de simples tests de traitabilité, le dimensionnement peut être réalisé avec une bonne précision.

La technologie du film fixé

Elle a été développée pour répondre à des problèmes techniques et à des critères économiques confirmés par l'expérience ; on peut mentionner, en particulier :

• — l'utilisation d'un média constitué d’anneaux ondulés en PVC (Flocor®), qui permet de concilier un poids plume (50 kg/m³) avec une grande surface spécifique (230 m²/m³), un grand volume de vide (95 %) et une excellente tenue mécanique,
• — l'utilisation du down-flow, qui évite la formation de croûtes et de mousses à la surface du digesteur par une aspersion continuelle du liquide à la surface.

De plus, ce système permet de diminuer la teneur du réacteur en métabolite qui devient inhibiteur au-dessus d'une certaine concentration (CO₂, CH₄, H₂S),

• — le recyclage continuel, qui permet un contrôle aisé de la température, une neutralisation du pH et, dans une certaine mesure, un recyclage de la biomasse décantée,
• — la combinaison en un seul étage des phases d’acidification, d'acétogenèse et de méthanisation dans le même digesteur, qui est parfaitement compatible avec la technologie du film fixé et permet une simplification de la construction et de l'exploitation.

Enfin, une expansion séquentielle du média plastique par un contre-courant de biogaz permet de contrôler étroitement la quantité de biomasse maintenue dans le digesteur et d’éviter ainsi tout risque de bouchage.

Unités-pilotes

Un grand nombre d’unités-pilotes ont été exploitées depuis 1981, notamment dans les domaines suivants : distilleries de Cognac et d'Armagnac, distilleries de rhum, raffineries de sucre, levureries, laiteries et fromageries, industries chimiques, industries pharmaceutiques, porcheries.

Ces pilotes, dont certains ont été exploités pendant plusieurs campagnes, ont permis de confirmer les options technologiques choisies. Les centaines de milliers d'informations qui ont ainsi été collectées sont utilisées pour le dimensionnement des unités industrielles et pour déterminer les coûts d'exploitation et les conditions de démarrage.

En pratique, les paramètres opératoires pour un traitement aérobie peuvent être calculés à partir des paramètres des substrats (DBO, DCO, MES). Par contre, le dimensionnement d'un digesteur anaérobie dépend de la nature du substrat à traiter et nécessite des essais sur un substrat identique ou similaire.

Dans la méthanisation, les chemins biologiques utilisés par les micro-organismes pour dégrader la matière organique sont compliqués (pour des questions énergétiques) et certains peuvent être limitants ; ainsi les micro-organismes acidogènes, acétogènes et méthanogènes sont très interdépendants et doivent le plus souvent s’adapter à des effluents complexes.

Compte tenu du temps nécessaire pour obtenir une biomasse suffisante, un

essai pilote ne peut pas être conduit sur une durée de moins de 6 mois, durée qui peut atteindre un an et plus dans les cas difficiles. Il est de plus souhaitable, lorsque l'industrie fonctionne par campagne, d’exploiter le pilote sur deux campagnes pour permettre la connaissance des conditions de redémarrage.

Bien que longues et coûteuses, ces opérations sur pilotes ne peuvent être évitées ; cependant, une fois que les paramètres ont été déterminés pour un effluent spécifique, les unités destinées à traiter un effluent identique peuvent aisément être dimensionnées.

Quand la composition des effluents n'est pas strictement identique, il est préférable de vérifier la biodégradation anaérobie par des tests en batch au laboratoire, notamment pour s’assurer qu'il n’existe pas de matières inhibitrices.

Dimensionnement des installations

Les unités de méthanisation peuvent être dimensionnées sur la base des essais sur pilotes en prenant des marges de sécurité, notamment pour tenir compte de l'effet de taille. Seule l'expérience permet de connaître les coefficients à appliquer pour passer de la taille du pilote à celle des unités industrielles, qui peuvent parfois présenter un volume de 200 à 300 fois supérieur... Par la comparaison des performances des pilotes et des nombreuses réalisations industrielles, on dispose aujourd'hui d'une bonne connaissance de ces coefficients d'extrapolation.

Bien que la technologie de méthanisation donne un rendement d’épuration très élevé, il ne semble pas souhaitable, pour bénéficier de tout l’intérêt économique de cette technologie, de dépasser un rendement en DCO de 90 % environ. Dans le cas le plus fréquent où cet abattement de la pollution est insuffisant, on a intérêt à terminer l’épuration par un petit système aérobie dont l'expérience a montré qu'il est dans tous les cas compatible avec la méthanisation. En effet, les micro-organismes aérobies dégradent aisément les matières laissées par la méthanisation ; de plus, la consommation du système aérobie, qui ne traite que 10 % de la pollution, ne compromet généralement pas l’intérêt économique de l’opération.

La réserve d'alcalinité du substrat est un paramètre important qui doit être augmentée par des injections de soude ou de chaux si elle est insuffisante pour maintenir le pH proche de la neutralité.

L'alcalinité totale, exprimée en milliéquivalent par litre (meq/l) doit être supérieure à l’acidité volatile totale (AVT) exprimée dans la même unité ; une marge suffisante entre les deux paramètres est même souhaitable pour éviter un accident de pH lors d'une augmentation accidentelle de la charge en DCO.

Les substrats des industries agro-alimentaires contiennent généralement tous les éléments nécessaires à la vie de la biomasse ; cependant il est nécessaire de vérifier les teneurs en éléments de base (N, P, K, Ca, Na, Fe, S) ainsi qu’en oligo-éléments (Ni, Co, Cu, Mo, Mn, Mg). Si ces quantités sont insuffisantes (industries chimiques, papeteries, etc.) il est nécessaire d'en faire l’ajout.

Durant la croissance de la biomasse, pendant le démarrage, ces éléments revêtent une grande importance.

L'achèvement de l’épuration par un système aérobie permet enfin une nitrification-dénitrification de l’effluent, ce qui présente un avantage car la méthanisation transforme l’azote en ammoniaque.

La production de méthane peut être évaluée très précisément à 350 litres par kg de DCO éliminée.

Quel que soit l’emploi du biogaz, et excepté pour de très petites installations (inférieures à 100 m³), une torchère doit être prévue pour brûler l’excédent de gaz pour parer à l’arrêt de la chaudière ou du groupe électrogène qui utilise le biogaz. Un digesteur traitant 16 tonnes/j de DCO à 90 % d’efficacité produit en effet 7 700 m³ de biogaz par jour et un simple stockage d’un jour nécessiterait la construction d’un gazomètre d’un volume six à huit fois supérieur à celui du digesteur. Quant au stockage sous pression, il nécessite un prétraitement des gaz et implique des coûts importants.

La méthanisation pose donc le problème de l'utilisation du biogaz, à moins que ce gaz ne soit utilisé pour le chauffage du digesteur lui-même. Dans beaucoup d’industries, on peut employer à cette fin des eaux chaudes ou des calories basse température, de sorte que le biogaz produit est le plus souvent totalement disponible et doit être utilisé en chaudière ou dans un groupe électrogène pour produire de l’électricité.

La présence de sulfates ou de sulfites dans le substrat, outre les problèmes d'inhibition posés par les sulfites, donne naissance à de l’hydrogène sulfuré H₂S qui s’échappe avec le biogaz. Outre les problèmes de corrosion qu’il faut résoudre par l'emploi de matériaux appropriés, l'utilisation du biogaz dans un moteur thermique nécessite le traitement du H₂S lorsque celui-ci dépasse une teneur de 1 % ; mais ce traitement est aisé : soit par dissolution dans l'eau pressurisée, additionnée ou non de réactif, soit par fixation sur un charbon activé ou même un lit à base de fer. Le CO₂ peut également être éliminé ou réduit en même temps que le H₂S par lavage à l’eau.

Une attention spéciale doit être apportée aux équipements de sécurité destinés à prévenir les surpressions ou le vide accidentel dans le digesteur. En particulier, dans le système d’évacuation du gaz, il est nécessaire de tenir compte des risques de moussage pouvant entraîner des surpressions rapides ; mais il faut reconnaître que le phénomène de moussage est beaucoup mieux maîtrisé dans une technologie à flot tombant que dans celle à flot montant.

Démarrage des installations et arrêts d’intercampagne

En raison de la faible vitesse de développement de la biomasse, qui offre l'avantage d'une très faible production de boues en excès (quatre à huit fois moins que les boues activées pour le même rendement), le démarrage initial des méthaniseurs est une opération longue. Cependant, avec la technologie à film fixé, le redémarrage entre deux campagnes, même après un arrêt de plusieurs mois, s'avère rapide (une à deux semaines au maximum pour parvenir à la pleine charge) et la plupart du temps compatible avec le redémarrage des unités de production. Cependant, pour obtenir ce résultat, certaines dispositions doivent être prises pendant l’intercampagne pour éviter l’auto-destruction de la biomasse par la respiration endogène (réduction de température, arrêt du recyclage, etc.).

Unités industrielles

Depuis 1983, de nombreuses unités industrielles ont été mises en service (tableau I) ; d’autres sont en construction ou à l’étude.

Conclusion

Le procédé de digestion anaérobie à film fixé utilise une technologie qui, bien qu’avancée, a aujourd’hui accumulé en quelques années une expérience importante acquise dans des unités industrielles traitant des effluents de nature très différente.

Ces références s’inscrivent aujourd’hui, dans le domaine de la réduction de la pollution, parmi les meilleures performances citées dans la littérature internationale.

• — forte charge organique et court temps de séjour,
• — abattement de pollution atteignant 90 % et plus,
• — adaptabilité à de nombreux effluents provenant des différentes industries,
• — exploitation facile et flexible,
• — procédé aisément contrôlable par un automate programmable,
• — grande fiabilité,
• — production de méthane utilisable comme source d’énergie,
• — amortissement possible des investissements grâce à la production de biogaz et aux économies d’énergie qui en résultent.

* Abréviations utilisées : DCO : Demande chimique en oxygène – DBO : Demande biologique en oxygène – MES : Matières en suspension – MVS : Matières volatiles en suspension – MEQ : milliequivalent par litre – ATV : Acidité volatile totale.

TABLEAU I

Données de base et opératoires des unités industrielles