La méthanisation selon le procédé BTA permet de valoriser sous forme d'énergie tous types de déchets fermentescibles ménagers issus de collecte sélective. Elle présente la particularité de s'effectuer en phase liquide. Les déchets sont transformés en pulpe dans un appareil spécialement conçu : l'hydropulpeur. Cette opération permet d'extraire les inertes indésirables tels que plastiques et sables. Le biogaz obtenu après digestion est valorisé sous forme d'énergie électrique et/ou thermique. Le résidu digéré est stabilisé par compostage, tandis que les effluents liquides sont recyclés dans le procédé. Disposant de nombreuses références industrielles, le procédé BTA est une voie complémentaire au compostage, permettant d'élargir le spectre des déchets à traiter aux déchets humides et liquides, dont les boues de stations d'épuration.
Le biogaz obtenu après digestion est valorisé sous forme d’énergie électrique et/ou thermique. Le résidu digéré est stabilisé par compostage, tandis que les effluents liquides sont recyclés dans le procédé.
Disposant de nombreuses références industrielles, le procédé BTA est une voie complémentaire au compostage, permettant d’élargir le spectre des déchets à traiter aux déchets humides et liquides, dont les boues de stations d’épuration.
L’évolution de la réglementation concernant la gestion des déchets ménagers a pour conséquence en France, avec la mise en place des plans départementaux d’élimination des déchets ménagers et assimilés, la généralisation de la collecte sélective et du recyclage des emballages et l’incinération des ordures résiduelles.
Quid de la fraction organique* qui représente quelques 25 à 30 % de nos poubelles ? De plus en plus de collectivités et d’industriels se posent la question, à juste titre, de la collecte sélective et de la valorisation de cette fraction organique fermentescible des déchets. En d’autres termes, et puisque la mise en décharge sera interdite pour ces mêmes déchets à partir de 2002, comment détourner de l’incinération un déchet humide à faible pouvoir calorifique et quel traitement biologique choisir afin de satisfaire les deux principaux objectifs de toute politique cohérente de traitement des déchets : valorisation et recyclage ?
En clair, comment valoriser ces déchets sous forme d’énergie directement utilisable, tout en réduisant au maximum le tonnage des produits finaux disponibles pour l’agriculture ?
Fort de ce constat et s’appuyant sur sa longue expérience dans le domaine du traitement des boues et des effluents industriels fortement chargés, Degrémont propose aux
* matières papiers-cartons
décideurs tant municipaux qu'industriels, un procédé de méthanisation en phase liquide, le procédé BTA**, qui loin de s'opposer au compostage, vient compléter de manière efficace la filière de traitement biologique des déchets.
Principes généraux
La méthanisation selon ce procédé est un procédé biologique de fermentation anaérobie en phase liquide. Il permet de valoriser sous forme de biogaz les déchets organiques riches en eau qui sont, de par leur nature, difficilement compostables sans ajout de matières structurantes. Il s'agit en particulier des :
- * déchets fermentescibles issus de collecte sélective des ménages (déchets de cuisine, reliefs de repas…),
- * déchets alimentaires de la restauration collective,
- * déchets organiques des marchés et supermarchés (invendus de fruits et légumes…),
- * déchets liquides ou fortement humides de l'industrie agro-alimentaire : matières stercoraires des abattoirs, vinasses, déchets de laiteries etc.,
- * boues de stations d'épuration,
- * effluents d'élevage,
- * etc.
Le résultat du traitement de ces déchets par méthanisation se traduit par la production :
- - d'un biogaz riche en méthane, pouvant être valorisé sous forme d'électricité, de chaleur, ou de carburant pour véhicule,
- - d'un amendement organique de très grande qualité, exempt de tout élément indésirable et répondant aux normes les plus strictes pour son utilisation agronomique.
Mise en œuvre du procédé
La spécificité du procédé BTA provient de la mise en suspension des déchets sous la forme d'une pulpe liquide. Cette opération permet d'une part d'homogénéiser les déchets et d'autre part d'extraire tous les éléments indésirables qui peuvent polluer, en faible quantité certes, toute collecte sélective.
Le procédé se déroule selon cinq principales étapes successives :
- @ mise en suspension de déchets sous forme d'une pulpe liquide
- @ méthanisation de la pulpe en digesteur
- @ séparation liquide/solide du résidu digéré (digestat)
- @ stabilisation aérobie du digestat solide par compostage
- @ traitement et recyclage des effluents liquides en étape 1
Une variante, dite procédé en 2 étages, consiste à intercaler une phase d'hydrolyse entre l'hydropulpeur et le digesteur.
Le cœur du procédé : la mise en suspension des déchets
Après un léger pré-traitement mécanique visant à ouvrir les sacs papiers contenant les déchets et à éviter l'introduction de gros éléments dans le pulpeur, les déchets sont mis en suspension dans un hydropulpeur spécialement développé. Il s'agit d'une cuve métallique d'un volume de 8 à 32 m³ selon la taille de l'installation, équipée d'une hélice centrale. Les déchets sont admis dans la partie supérieure du pulpeur, en mélange avec de l'eau de procédé. L'hélice du pulpeur entre alors en action à divers régimes de rotation ; elle engendre de puissantes forces de cisaillement qui entraînent l'éclatement des cellules végétales. Ainsi, la mise en suspension des déchets ne déchiquette pas les éléments indésirables tels que plastiques, piles ou textiles qui pourraient se trouver dans les déchets.
La pulpe obtenue, ayant une teneur en matière sèche de 8 à 10 %, est ensuite évacuée au travers d'un tamis, pour alimenter le digesteur. Une nouvelle charge d'eau est introduite dans le pulpeur permettant la flottation de tous les éléments légers (en particulier les plastiques, textiles…) qui sont extraits par un peigne hydraulique puis compactés par une presse à vis. Les déchets lourds minéraux tels que verre, cailloux,
Les os décantent au fond du pulpeur et sont évacués par un sas. Ainsi, par cette opération, tous les éléments indésirables susceptibles de polluer une collecte sélective sont extraits. Une phase d’hydrocyclonage de la pulpe avant digestion permet d’extraire les fines particules sableuses et d’éviter ainsi les phénomènes d’abrasion dans les pompes et autres équipements tournants de l’installation.
Une étape d’hygiénisation peut être intercalée avant la digestion. Cependant, cet objectif est atteint lors de la stabilisation aérobie par compostage du digestat durant laquelle une température de 65-70 °C est maintenue pendant plusieurs jours consécutifs.
Méthanisation de la pulpe en digesteur
Une fois débarrassée de toutes les impuretés, la pulpe de déchets alimente en continu un digesteur dit « de contact anaérobie ». La matière organique y est transformée en biogaz par cultures mixtes naturelles mésophiles (37 °C). Un brassage constant au biogaz permet de mélanger « infiniment » la pulpe en cours de digestion.
Avec plus de 150 références de par le monde, ce type de digesteur s’avère particulièrement souple en exploitation.
Après un temps de séjour hydraulique de 14 à 16 jours, la pulpe digérée est soutirée puis envoyée dans une centrifugeuse afin de séparer la phase liquide de la phase solide. L’effluent liquide est recyclé comme eau de procédé dans l’hydropulpeur. L’excès, chargé en matières en suspension et en azote ammoniacal, est traité dans une station d’épuration intégrée à l’installation, selon le procédé de boues activées avec traitement de l’azote par nitrification-dénitrification.
Le résidu solide, ou digestat, contient 30 à 35 % de matière sèche en sortie de centrifugeuse. Mélangé avec 10 à 20 % de structurant (broyat de déchets verts ou écorces), il est stabilisé par compostage. Le compost produit, exempt de toute impureté, est assimilable à un terreau riche en humus. Il peut être valorisé pour divers travaux de revégétalisation ou utilisé en agriculture.
Caractéristiques des sous-produits
Le biogaz
Riche en méthane, le biogaz possède un pouvoir calorifique élevé. Sa composition est la suivante :
- • méthane (CH₄) : 60 à 65 % en volume/volume
- • gaz carbonique (CO₂) : 30 à 35 % en volume/volume
- • hydrogène sulfuré : < 500 mg/Nm³
- • pouvoir calorifique : 6 à 6,5 kWh/Nm³
Ce biogaz peut être valorisé sous forme de production d’énergie par co-génération (électricité et chaleur). L’électricité produite satisfait l’intégralité des besoins de l’installation ; l’excès, soit 50 à 60 % des kWh électriques produits, peut être revendu dans le réseau EDF. Les calories produites permettent de maintenir la température optimale du digesteur à 35-37 °C. L’excès peut trouver un débouché chez un industriel se trouvant à proximité de l’installation.
Le compost
Le digestat est stabilisé par compostage, soit
par un procédé de compostage accéléré type de Thermopostage, soit sur une plate-forme de compostage de déchets verts en andains.
Après maturation, le compost obtenu possède les caractéristiques suivantes :
- teneur en matière sèche 45 à 60 %
- teneur en matière organique (sur matière sèche) 45 à 50 %
- rapport C/N 12 à 15
- azote < 3 %
- P₂O₅ 1 à 1,5 %
- K₂O 1 à 1,5 %
- absence totale d’éléments indésirables
Ce compost est conforme à la norme NFU 44-051 – amendements organiques.
Les rejets liquides
Les rejets liquides sont de faibles quantités car ils sont recyclés à 80 % dans le procédé, au niveau de l’hydropulpeur. Ils correspondent à l'eau contenue dans les déchets et à l'eau nécessaire au nettoyage de l'installation.
Ils subissent un traitement d’épuration biologique intégré à l'installation, dont le dimensionnement est adapté aux contraintes imposées pour un milieu récepteur donné.
Caractéristiques de l'effluent à traiter :
- matières en suspension 1,5 à 3 g/l
- demande chimique en oxygène 2 à 5 g/l
- N ammoniacal 0,5 à 1 g/l
- phosphore < 100 mg/l
- pH 7 à 8
- température 35 – 37 °C
Ces effluents sont traités afin d’avoir des caractéristiques permettant leur rejet dans le réseau d’assainissement.
Les volumes à traiter sont faibles, de l’ordre de 12 à 25 m³/j pour des unités de 10 000 à 20 000 t/an.
L'installation du District de Kelheim (Allemagne)
Historique
Installée à 70 km au nord de Munich, au cœur de la région de production du houblon, dans le District de Kelheim, l'usine traite depuis 1995 les déchets fermentescibles issus de collectes sélectives en provenance des zones nord et ouest de l'agglomération munichoise.
L’investisseur, M. Högl, exploitant agricole, avait commencé à diversifier ses activités en créant, il y a quelques années, une plate-forme de compostage de déchets verts en andains. C’est en cherchant à compléter cette activité par un procédé de traitement qui lui permette d'une part d’élargir la gamme des déchets à traiter et, d'autre part, de produire de l’énergie qu’il s'est tourné vers la méthanisation. Le choix du procédé BTA, en phase liquide, s'est alors imposé afin de pouvoir traiter efficacement et sans nuisances des déchets très humides voire liquides, tels que déchets de restauration collective ou déchets d’abattoirs, qu’il est difficile de composter.
Entourée de champs de houblon, située à proximité des fermes avoisinantes, l'installation, de par sa conception et son traitement architectural, est parfaitement intégrée dans le paysage agricole régional.
Fonctionnement
L'installation est dimensionnée pour traiter 13 000 t/an de déchets organiques :
- 9 000 t/an de déchets fermentescibles ménagers
- 4 000 t/an de déchets issus de la restauration collective
Le pré-traitement des déchets est effectué sur deux lignes distinctes.
a) Les déchets fermentescibles
Issus de collecte sélective des ménages, ces déchets contiennent essentiellement les restes de repas, épluchures de fruits et légumes, tontes de gazon et petites tailles de haies. L’usine reçoit également les invendus de fruits et légumes des marchés et supermarchés locaux.
Les déchets sont réceptionnés par camion sur une aire bétonnée, à l'intérieur du bâtiment. Ils sont repris par un chargeur sur pneus qui alimente un broyeur lent à rouleaux, dont la principale fonction est d’ouvrir les sacs en papier contenant les déchets. Un hydropulpeur de 20 m³ de capacité réalise la mise en suspension des déchets. Les « lourds » inertes extraits sont envoyés en décharge. Les « flottants » sont quant à eux pressés à 45 % de siccité par une presse à vis puis envoyés en incinération.
La pulpe contenant 10 % de matière sèche est débarrassée des particules sableuses par hydrocyclonage puis stockée dans un bac tampon. Elle alimente régulièrement le digesteur.
b) Les déchets de la restauration collective
Ces déchets nauséabonds, très humides, voire liquides, sont réceptionnés dans une fosse équipée d’un couvercle. Ils sont repris par une vis qui alimente directement un hydropulpeur de 8 m³. Ainsi, toute manipulation source de mauvaises odeurs est évitée.
Une étape d’hygiénisation, imposée par la réglementation allemande pour les déchets contenant des résidus d'origine animale (viande avariée, produits laitiers périmés...), a lieu dans l’hydropulpeur même. La température est portée à 70 °C pendant 1 heure. La pulpe hygiénisée est ensuite refroidie puis envoyée dans le digesteur.
c) Digestion de la pulpe
La pulpe est digérée pendant 14 jours dans un digesteur de 2 000 m³. Elle est continuellement brassée par du biogaz comprimé, injecté à l'intérieur du réacteur par un système de cannes.
Le biogaz produit est directement brûlé dans plusieurs moteurs diesel, puis transformé en électricité. La technologie du moteur diesel permet d’utiliser également du diester de colza et donc de rentabiliser l’installation. La puissance totale installée est de 800 kW. La production d’électricité permet de satisfaire la totalité des besoins de l’installation, fonctionnant le jour. La nuit, l'excès est revendu dans le réseau de distribution électrique local.
Après digestion, la pulpe digérée est centrifugée. L’effluent liquide est recyclé dans l'hydropulpeur pour la mise en suspension des déchets. L’excès est traité sur site afin d’éliminer le carbone et l’azote. Le procédé utilisé est un bassin de boues activées divisé en deux zones : une zone d’anoxie pour la dénitrification, une zone aérée pour la nitrification et le traitement du carbone. Seulement 10 à 15 m³ d'eau épurée sont évacués par camion-citerne vers la station d'épuration voisine. Le digestat solide, en sortie de centrifugeuse, est stabilisé sur la plate-forme voisine de compostage en andains, en mélange avec le broyat de déchets verts. Le compost obtenu, exempt de toute impureté, possède une valeur agronomique très appréciée des agriculteurs qui l’utilisent en amendement organique dans leurs champs de houblon. En effet, la culture du houblon est très exigeante en fumure organique et demande un entretien constant de la teneur en humus du sol.
L’installation de HögI en chiffres
- • capacité 13 000 t/an
dont 9 000 t/an de déchets fermentescibles et 4 000 t/an de déchets de restauration.
- • surface 4 200 m²
- • production de biogaz 80 à 110 Nm³/t de déchet
- • concentration en méthane 60 - 65 % en volume
- • puissance électrique des moteurs biogaz/diesel 800 kW
- • production de compost final 200 kg/t de déchet
- • eau épurée en excès, évacuée 10 - 15 m³/j
Conclusion
Procédé biologique de valorisation énergétique des déchets organiques humides et liquides, la méthanisation BTA est une voie alternative à l'incinération et complémentaire au compostage des déchets verts. Éprouvé sur le plan industriel, disposant de nombreuses références, ce procédé est une réponse adaptée au traitement des déchets fermentescibles ménagers. Enfin, de nouveaux développements du procédé sont en cours concernant la co-digestion avec les boues de stations d’épuration.
