Barrel Biodigester/fr

Pour lutter contre le changement climatique et atténuer les émissions de gaz à effet de serre, il est de plus en plus important de privilégier les énergies renouvelables. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Le développement durable, essentiel à la production et à l'utilisation de ces énergies, revêt également une importance croissante. ^{[ 3 ]} Cette page aborde ce besoin à travers la production de biogaz par digestion anaérobie, et plus particulièrement grâce aux biodigesteurs en fût. La biodigestion en fût est une méthode de digestion anaérobie de matières organiques permettant de produire et de collecter du biogaz. Elle est facilement réalisable à domicile. Le processus anaérobie se déroule dans un fût (un fût métallique de 200 litres ou similaire). Les principaux produits de cette digestion sont le biogaz et un effluent riche en nutriments, mais elle présente également de nombreux autres avantages. ^{[ 4 ]}

La digestion anaérobie est un processus microbien qui se déroule en l'absence d'oxygène et qui est un processus méthanogène. Au cours de ce processus, la matière carbonée est métabolisée pour produire divers gaz. La digestion anaérobie est un procédé relativement ancien, la première industrialisation ayant eu lieu en 1859 et la première collecte et utilisation de biogaz en 1895 ^{[ 5 ].} On la retrouve dans de nombreux milieux naturels et artificiels, notamment les sédiments, les intestins des animaux et les décharges ^{[ 6 ]} , et c'est une méthode éprouvée pour le traitement des déchets organiques à forte teneur en humidité ^{[ 7 ]} . La matière organique métabolisée subit un processus en trois étapes : hydrolyse, formation d'acide acétique et production de méthane ^{[ 8 ]} . La température influe fortement sur l'efficacité du processus anaérobie et sur le taux de production de biogaz. On distingue deux principales catégories de température : mésophile et thermophile ^{[ 9 ] .}

La digestion mésophile se déroule entre 35 et 42 °C. La digestion anaérobie mésophile est la forme de digestion la plus courante et constitue un système plus robuste et tolérant que la digestion anaérobie thermophile. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Il a été démontré que les micro-organismes mésophiles tolèrent des fluctuations de température de ±3 °C. ^{[ 4 ]}

La digestion thermophile se déroule entre 45 et 60 °C. Malgré sa sensibilité accrue par rapport à la digestion mésophile, elle présente des avantages non négligeables et peut convenir à certaines applications. La digestion anaérobie thermophile offre des vitesses de réaction plus rapides, un taux de destruction des pathogènes et des graines de mauvaises herbes plus élevé, et produit davantage de biogaz que les systèmes mésophiles. ^{[ 9 ] [ 4 ]}

Le pH du système a également un impact significatif sur le processus de digestion. La formation de méthane lors de la digestion anaérobie se produit entre 6,5 et 8,0, la plage optimale se situant entre 7,0 et 8,0. Si le pH sort de cette plage de production de méthane, la méthanogenèse est incomplète et aucun biogaz méthanique n'est produit. ^{[ 4 ]} Les produits finaux d'une digestion anaérobie réussie sont le biogaz (un produit gazeux) et un déchet solide riche en nutriments.

Le biogaz produit par digestion anaérobie est relativement inodore, incolore, stable, non toxique et ininflammable. ^{[ 10 ]} Dans les procédés de digestion anaérobie classiques, et selon la matière première utilisée, le biogaz est composé d'environ 60 % de méthane, 40 % de dioxyde de carbone et de faibles quantités de sulfure d'hydrogène et de vapeur d'eau. ^{[ 6 ]} La quantité de méthane et le volume de gaz produit dépendent du type et de la quantité de matière première utilisée, du type de digestion anaérobie et des conditions du milieu de digestion. ^{[ 11 ]} Bien qu'il existe de nombreuses méthodes de production de biogaz, la digestion anaérobie s'avère être la plus rentable. ^{[ 7 ]}

La biomasse est la matière organique que les digesteurs anaérobies utilisent pour produire du biogaz, et elle est produite à partir des plantes par photosynthèse. La biomasse peut être catégorisée selon de nombreuses méthodes différentes, mais les quatre principaux types de biomasse sont : ^{[ 1 ]}

• plantes ligneuses
• plantes herbacées et graminées
• plantes aquatiques
• fumier

La matière première introduite dans le digesteur est composée de biomasse, et sa qualité dépend de ses caractéristiques. La teneur en eau et en composés volatils joue un rôle important dans la détermination de sa qualité. ^{[ 11 ]} Les matières organiques à forte teneur en eau, telles que les fruits, les légumes ^{[ 12 ]} et la canne à sucre, sont particulièrement adaptées à la production de méthane par digestion anaérobie. La teneur en composés volatils est un indicateur de la quantité de gaz qui sera produite par digestion. ^{[ 1 ]} Il a été constaté que la modification de la matière première permet, dans certains cas, d'accroître la vitesse et le volume de biogaz produit.

Le prétraitement des déchets est fréquemment pratiqué dans les digesteurs anaérobies ^{[ 13 ]} , et des études ont démontré une corrélation entre le prétraitement et l'augmentation des rendements en biogaz ^{[ 14 ]} . Bien que tous les prétraitements ne soient pas adaptés à toutes les opérations de digestion anaérobie, le prétraitement mécanique convient à la digestion dans les pays développés comme dans les pays en développement, en raison de sa simplicité. Le prétraitement mécanique consiste simplement à réduire la taille des particules introduites dans le digesteur, ce qui augmente la surface disponible pour les micro-organismes. Il a été démontré que la réduction de la taille des particules accélère la digestion et augmente la production de gaz ^{[ 14 ]} . Des études ont montré que la réduction de la taille des particules de déchets peut augmenter la production de gaz jusqu'à 25 % ^{[ 15 ]} et la réduction de la teneur en matières solides jusqu'à 25 % ^{[ 16 ] .}

La co-digestion consiste à mélanger différents types de biomasse primaire afin d'accélérer et d'accroître la production de biogaz par digestion anaérobie. Elle présente plusieurs avantages, notamment une augmentation de la production de biogaz et une amélioration de la qualité fertilisante de l'effluent [ ^{17 ] .} Son principal atout réside dans le fait qu'aucun substrat n'est parfait et que le mélange de substrats permet de minimiser les imperfections en équilibrant les nutriments ^{[ 18 ]} . De nombreuses études ont conclu que la co-digestion augmentait la production de biogaz issue d'un digesteur anaérobie, en particulier avec les mélanges de fumier et de déchets alimentaires ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ].}

Le temps de séjour hydraulique dans le digesteur et le débit d'alimentation sont deux facteurs facilement contrôlables. Des études ont montré que le temps de séjour et la production de gaz présentent une faible corrélation, tandis que le débit d'alimentation et la production de gaz présentent une corrélation beaucoup plus forte. ^{[ 20 ]} Bien qu'il soit possible de déterminer un temps de séjour optimal pour un réacteur donné, ce temps dépendra du paramètre que l'on cherche à maximiser. La production de biogaz, le rendement en méthane et la qualité de l'effluent sont tous maximisés pour des temps de séjour différents. ^{[ 21 ]}

À l'instar du prétraitement de la matière première, certaines actions menées pendant la digestion peuvent accroître la production de gaz. La principale action à entreprendre est le brassage du digesteur. Ce brassage présente un triple avantage : il améliore le contact entre les micro-organismes et la matière organique, facilite la remontée des bulles et contribue à réduire les écarts de température au sein du digesteur ^{[ 4 ]} . Bien que le brassage ne soit pas indispensable au fonctionnement du digesteur, de nombreuses études ont confirmé qu'il augmente la production de gaz du digestat ^{[ 22 ].}

Au cours de la digestion anaérobie, l'azote organique est transformé en ammoniac ionisé, un composant essentiel de 90 % des engrais azotés. ^{[ 20 ] [ 23 ]} Cette transformation permet d'appliquer directement l'effluent aux plantes avec une efficacité accrue. ^{[ 20 ]} La digestion anaérobie inactive également les graines de mauvaises herbes, les bactéries et virus (E. coli, Salmonella), les champignons et les parasites présents dans la matière première. Cette inactivation constitue un avantage important de la digestion anaérobie si l'effluent est utilisé comme engrais. ^{[ 4 ]}

Cette section décrit la construction d'un biodigesteur à fût fonctionnant en mode réacteur à cuve agitée en continu, et non en mode réacteur discontinu. La digestion anaérobie se déroule dans un fût en acier de 208 litres (55 gallons). Vous trouverez ci-dessous un guide étape par étape pour la construction d'un biodigesteur à fût à ouverture latérale, c'est-à-dire un fût muni d'un couvercle amovible.

Il faut d'abord installer le robinet d'évacuation des eaux usées, le tube d'alimentation et le tuyau de gaz sur le digesteur. Le robinet d'évacuation et le tuyau de gaz se fixent aux orifices filetés situés respectivement sur le côté et le dessus du fût, tandis que le tube d'alimentation nécessite de percer un trou dans le couvercle.

Le robinet d'évacuation des eaux usées (Fig. 1) est constitué d'une vanne à bille en PVC de 1 pouce, raccordée au filetage de 2 pouces du fût par un manchon en PVC. À l'intérieur du fût, un système de drainage en PVC de 2 pouces, percé de trous, est réalisé (Fig. 2).

Le tuyau de gaz illustré sur la figure 3 est constitué d'un orifice fileté de 25,4 mm (1 pouce) sur le couvercle du fût, relié à un tuyau en laiton de 6,35 mm (1/4 pouce) menant au tuyau de gaz. Le raccord en laiton est équipé d'un manomètre et de deux vannes à bille. Pour une simplification du système, une seule vanne est nécessaire, ce qui permet de supprimer l'une des vannes à bille et le manomètre. Un tuyau en caoutchouc de 9,5 mm (3/8 pouce) est fixé au système de tuyauterie en laiton à une extrémité, et un raccord d'air de 6,35 mm (1/4 pouce) à l'autre. Ce raccord permet la collecte et le stockage du biogaz dans un pneu de vélo ou de voiture.

Le tube d'alimentation permet d'ajouter les déchets au digestat, assurant ainsi une production continue de gaz une fois le digesteur arrivé à maturité. Ceci diffère d'un digesteur discontinu où les déchets sont ajoutés à une suspension de démarrage et le digesteur scellé jusqu'à l'arrêt de la production de gaz. Le tube d'alimentation permet également de maintenir l'état anaérobie du digesteur pendant l'alimentation, grâce à la très faible quantité de digestat exposée à l'oxygène. Il faut d'abord percer un trou de 10 cm (4 pouces) dans le couvercle. Cette opération peut être réalisée à l'aide d'un poste à souder ou d'un découpeur plasma. Le tube d'alimentation illustré sur la figure 4 est un tube en PVC de 7,5 cm (3 pouces) de diamètre et de 61 cm (24 pouces) de long. Il est fixé au couvercle par deux brides à clapet en PVC de 10 x 7,5 cm (4 x 3 pouces), une de chaque côté du couvercle. La bride extérieure est recouverte d'un bouchon de nettoyage en PVC de 10 cm (4 pouces) de diamètre, permettant l'étanchéité du tube d'alimentation (voir figure 5). Pour plus d'explications, consultez la vidéo ci-dessous. ^{[ 24 ]}

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  Fig. 1 : Robinet de sortie d'effluent sur le biodigesteur à baril
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  Fig. 1: Effluent tap on the barrel biodigester
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  Fig. 2: Internal draining system
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  Fig. 3: Gas release mechanism for the barrel biodigester
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  Fig. 4: The internal components of the feeding tube: 3" PVC
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  Fig. 5: The external components of the feeding tube: pop top flange & cleanout and plug

La première étape de la construction consiste à localiser et à colmater toutes les fuites ou les trous présents dans le fût. Pour ce faire, remplissez le fût d'eau et examinez son extérieur. Si vous trouvez des fuites, marquez leur emplacement pour référence ultérieure. Une fois toutes les fuites repérées, videz le fût et procédez à leur colmatage. Vous pouvez colmater les fuites en appliquant du goudron. Continuez à remplir le fût d'eau et à colmater les fuites avec du goudron jusqu'à ce qu'il n'y en ait plus. ^{[ 25 ]}

Le démarrage d'un digesteur anaérobie est une étape cruciale pour son bon fonctionnement. La production de gaz n'atteindra son plein potentiel qu'une fois le digesteur arrivé à maturité. Bien qu'il soit possible de démarrer un digesteur en y mélangeant simplement des déchets et de l'eau, puis en le scellant, ce processus est extrêmement long et nécessite un temps considérable pour atteindre sa pleine capacité. Il est désormais courant, tant en recherche qu'en pratique, d'« ensemencer » le digesteur avec l'effluent d'un autre digesteur en fonctionnement. ^{[ 20 ] [ 17 ] [ 26 ]} L'ajout de cet effluent permet de démarrer le processus et d'accélérer sa maturation. Le gaz produit durant cette phase de démarrage ne présente pas les mêmes caractéristiques d'inflammabilité que celui produit par un digesteur mature et ne doit pas être collecté. Il a été démontré que le brassage est bénéfique à un biodigesteur mature, mais cela n'est pas le cas lors de la phase de démarrage. Il a été montré que le brassage durant cette phase augmente le temps nécessaire à un nouveau digesteur pour atteindre sa maturité. ^{[ 27 ]}

Comme indiqué précédemment, la production de biogaz nécessite de la matière organique. Le digesteur fonctionnant comme un réacteur à cuve continue, il doit être alimenté quotidiennement à heure fixe. Le débit de déchets doit se situer entre 1 et 6,8 g/L/jour ^{[ 28 ]} . Afin de maintenir un volume constant, un volume d'effluent égal au volume de déchets ajouté doit être prélevé ^{[ 11 ]} . Après maturation du digesteur, la collecte du gaz peut commencer. Celle-ci peut être continue grâce à un raccord d'air verrouillable sur l'appareil de stockage, ou périodique, selon les besoins en biogaz.

La biodigestion a des impacts socio-économiques importants, tant dans les pays développés que dans les pays en développement. Dans les deux cas, on observe d'importants déchets de matières organiques et des besoins énergétiques croissants. Si la digestion anaérobie est pratiquée à une échelle bien plus grande dans les pays développés que dans les systèmes domestiques, le principe reste le même : produire de l'énergie utilisable à partir de déchets. Dans les pays développés, la digestion anaérobie est courante dans les stations d'épuration, les brasseries, les exploitations agricoles commerciales et les grands marchés de produits biologiques. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} D'importants efforts sont déployés pour étendre l'utilisation des biodigesteurs aux pays en développement. Des projets menés au Pérou et au Népal ont démontré des impacts significatifs grâce à l'introduction de digesteurs anaérobies. Bien que ces projets ne soient pas reproduits à l'échelle mondiale, ils sont fréquemment mis en œuvre avec un succès variable. Ces projets ont mis en évidence des effets positifs sur la santé grâce à l'utilisation d'un combustible de cuisson plus propre, des impacts économiques dus à l'amélioration des rendements agricoles, des impacts environnementaux liés à la réduction des taux de déforestation grâce à une moindre consommation de bois de chauffage, et des impacts sociaux sur les femmes et les enfants qui n'ont plus à consacrer autant de temps à la collecte de bois. ^{[ 32 ] [ 3 ]}

• Biodigesteur de jardin E305

• digestion anaérobie