Pour lutter contre le changement climatique mondial et atténuer les émissions de gaz à effet de serre, il est de plus en plus important de se concentrer sur l’utilisation de formes d’énergie renouvelables. [1] [2] La nécessité d'un développement durable pour créer et utiliser des énergies renouvelables revêt également une importance croissante. [3]Cette page répondra à ce besoin sous la forme de biogaz produit par le processus de digestion anaérobie, l'accent étant mis sur les biodigesteurs en fûts. La biodigestion en fûts est une forme de digestion anaérobie de matières organiques utilisée pour créer et collecter du biogaz et peut facilement être réalisée à l'échelle domestique. Le processus anaérobie a lieu dans un « baril » (fût en acier de 55 gallons ou similaire). Les produits résultant de ce type de digestion sont principalement du biogaz et des effluents riches en nutriments, mais de nombreux autres avantages existent. [4]
Contents
Digestion anaérobique
La digestion anaérobie est un processus microbien qui se déroule en l'absence d'oxygène et est un processus méthanogène. Au cours de ce processus, la matière carbonée est métabolisée pour produire une multitude de gaz. La digestion anaérobie est un processus relativement ancien, le premier processus industrialisé ayant eu lieu en 1859 et la première collecte et utilisation de biogaz en 1895. [5] La digestion anaérobie se trouve dans de nombreux domaines différents de l'environnement naturel et artificiel, notamment les sédiments, les animaux. les intestins et les décharges, [6] et constitue une méthode éprouvée pour traiter les déchets organiques à forte teneur en humidité. [7] La matière organique métabolisée subit un processus en trois étapes ou hydrolyse, formation d'acide acétique et production de méthane. [8]La température a un effet important sur la robustesse du processus anaérobie et sur la vitesse à laquelle le biogaz est produit. Les deux principales catégories de température sont mésophiles et thermophiles. [9]
Mésophile
La digestion mésophile a lieu entre 35 et 42 °C. La digestion anaérobie mésophile est la forme de digestion la plus courante et constitue un système plus robuste et plus tolérant que la digestion anaérobie thermophile. [9] [10] Il a été démontré que les micro-organismes mésophiles tolèrent des fluctuations de température de +/-3C. [4]
Thermophile
La digestion thermophile a lieu entre 45 et 60 °C. Malgré la sensibilité accrue du système par rapport à la digestion mésophile, il présente des avantages intéressants et pourrait être approprié dans certains scénarios. La digestion anaérobie thermophile aura des taux de réaction plus rapides, présentera un taux de destruction des agents pathogènes et des graines de mauvaises herbes plus élevé et produira plus de biogaz que les systèmes mésophiles. [9] [4]
Le pH du système a également un effet significatif sur le processus de digestion. La formation de méthane lors de la digestion anaérobie a lieu entre 6,5 et 8,0, avec la plage optimale de 7,0 à 8,0. Une fois que le pH quitte la plage de production de méthane, la méthanogenèse complète ne se produira pas et le biogaz de méthane ne sera pas produit. [4] Les produits finaux d'une digestion anaérobie appropriée sont un produit gazeux, le biogaz, et un déchet solide à haute teneur en nutriments.
Biogaz
Le biogaz produit par digestion anaérobie est relativement inodore, incolore, stable, non toxique et inflammable. [10] Dans les processus de digestion anaérobie typiques, et en fonction de la matière première utilisée dans la digestion, le biogaz est constitué d'environ 60 % de méthane, 40 % de dioxyde de carbone et de petites quantités de sulfure d'hydrogène et de vapeur d'eau. [6] La quantité de méthane et la quantité de gaz produite dépendent du type et de la quantité de matière première utilisée, du type de digestion anaérobie utilisé et des conditions de l'environnement de digestion. [11] Bien qu'il existe de nombreuses façons de produire du biogaz, la production par digestion anaérobie s'est avérée être la méthode la plus rentable [7]
Matière première
La biomasse est la matière organique utilisée par les digesteurs anaérobies pour produire du biogaz et est produite à partir de plantes par photosynthèse. La biomasse peut être classée par de nombreuses méthodes différentes, mais les quatre principaux types de biomasse sont : [1]
La matière première, qui alimente le digesteur, est composée de biomasse et la qualité de la matière première dépend des caractéristiques de la biomasse. La teneur en humidité et la teneur en matières volatiles de la matière première jouent un rôle important dans la détermination de la qualité de la matière première. [11] Les matières organiques à haute teneur en humidité telles que les fruits, les légumes [12] et la canne à sucre sont bien adaptées à la production de méthane par digestion anaérobie. La teneur en matières volatiles est une indication de la quantité de gaz qui sera produite lors de la digestion. [1] Il a été constaté que la manipulation de la matière première augmente, dans certains cas, la vitesse et le volume du biogaz produit.
Prétraitement mécanique
Le prétraitement des déchets s'effectue fréquemment dans des digesteurs anaérobies [13] et des études ont montré une corrélation entre le prétraitement et l'augmentation des rendements de biogaz. [14] Même si tous les prétraitements ne conviennent pas à toutes les opérations de digestion anaérobie, le prétraitement mécanique convient à la digestion dans les pays développés et en développement en raison de la simplicité du processus. Le prétraitement mécanique consiste simplement à réduire la taille des particules qui alimentent le digesteur, ce qui augmente la surface disponible pour les micro-organismes. Il a été démontré que la réduction de la taille augmente la vitesse de digestion et la production de gaz. [14] Des études ont montré que la réduction des particules de déchets peut augmenter la production de gaz jusqu'à 25 %. [15]et augmenter la réduction des solides de 25 %. [16]
Co-digestion
La codigestion consiste à mélanger des types de biomasse primaires pour augmenter la vitesse et la production de biogaz par digestion anaérobie. La co-digestion présente plusieurs avantages, notamment une augmentation de la production de biogaz et une meilleure qualité des engrais des effluents. [17] Le principal avantage de la co-digestion réside principalement dans le fait qu'aucune matière première individuelle n'est parfaite, et le mélange des matières premières permet de minimiser les imperfections en équilibrant les nutriments. [18] De nombreuses études ont conclu que la co-digestion augmentait la production de biogaz à partir d'un digesteur anaérobie, un accent particulier étant mis sur les fumiers et les mélanges de déchets alimentaires [17] [18] [19]
Temps de rétention et taux de chargement
Le temps de rétention hydraulique dans le digesteur et le taux de chargement de la matière première dans le digesteur sont deux facteurs facilement contrôlables par l'homme. Des études ont montré que le temps de rétention et la production de gaz présentent une très faible corrélation, tandis que le taux de chargement et la production de gaz présentent une corrélation beaucoup plus forte. [20] Bien qu'il soit possible de déterminer un temps de séjour idéal pour un certain réacteur, le temps dépendra de ce que vous essayez de maximiser. La production de biogaz, le rendement en méthane et la qualité des effluents sont tous maximisés à différents temps de séjour. [21]
Mélange
À l’instar du prétraitement de la matière première, certaines actions prises au cours du processus de digestion peuvent augmenter la production de gaz. La première mesure à prendre est le mélange du digesteur. Les avantages du mélange ou du brassage sont triples ; il augmente le contact entre les micro-organismes et la matière organique, augmente la facilité de remontée des bulles et agit pour diminuer les différences de température dans tout le digesteur. [4] Bien que le mélange ne soit pas nécessaire au fonctionnement d'un digesteur, de nombreuses études ont confirmé que le mélange du digestat augmente la production de gaz du digesteur [22]
Effluent
Au cours du processus de digestion, l'azote organique contenu dans l'azote organique est converti en ammoniac ionisé, un élément clé de 90 % des engrais à base d'azote. [20] [23] Cette conversion de l'azote permet à l'effluent d'être appliqué directement aux usines avec une efficacité accrue. [20] Le processus de digestion anaérobie inactive également les graines de mauvaises herbes, les bactéries et les 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]
Construction
Cette section discutera de la construction d'un biodigesteur en baril fonctionnant comme un réacteur à cuve à agitation continue plutôt que comme un réacteur discontinu. La digestion anaérobie d'un biodigesteur en baril s'effectue dans un fût en acier de 55 gallons. Vous trouverez ci-dessous un guide étape par étape pour vous aider à construire un biodigesteur en baril utilisant un tambour à dessus ceinturé, un tambour contenant un couvercle amovible.
Étape 1 : Robinet d'évacuation, sonde d'alimentation, tuyau de gaz
Tout d'abord, le robinet d'effluent, le tube d'alimentation et le tuyau de gaz doivent être appliqués au digesteur. L'évacuation des effluents et le tuyau de gaz peuvent être installés sur les ouvertures filetées sur le côté et sur le dessus du fût, tandis que le tube d'alimentation nécessite de percer un trou dans le couvercle.
Robinet d'évacuation
Le robinet d'effluent illustré à la figure 1 se compose d'un robinet à tournant sphérique en PVC de 1" connecté au raccord fileté de 2" dans le baril via un raccord en PVC. À l'intérieur du baril, un système de drainage en PVC est construit en PVC de 2" avec des trous percés (Fig. 2).
Tuyau de gaz
Le tuyau de gaz illustré sur la figure 3 se compose d'un trou fileté de 1" sur le couvercle du baril connecté à un tuyau en laiton de 1/4" menant au tuyau de gaz. Le raccord de tuyau en laiton illustré comprend un manomètre et deux robinets à tournant sphérique. Selon la simplicité souhaitée du système, une seule vanne est nécessaire et permet de supprimer l'un des robinets à bille et le manomètre. Un tuyau en caoutchouc de 3/8" est fixé au système de tuyaux en laiton à une extrémité et un mandrin pneumatique de 1/4" à l'autre. Le mandrin pneumatique permet la collecte et le stockage du biogaz dans un pneu de vélo ou de voiture.
Sonde d'alimentation
Le tube d'alimentation permet d'ajouter les déchets au digestat, permettant ainsi une production continue de gaz une fois le digesteur arrivé à maturité, contrairement à un digesteur discontinu dans lequel les déchets sont ajoutés à une boue de démarrage et le digesteur est scellé jusqu'à ce que la production de gaz cesse. Le tube d'alimentation permet également de maintenir l'état anaérobie du digesteur pendant l'alimentation en raison de la quantité extrêmement faible de digestat exposé à l'oxygène pendant le processus d'alimentation. Tout d'abord, un trou de 4" doit être découpé dans le couvercle. Cela peut être fait avec du matériel et des connaissances en soudage ou un découpeur plasma. Le tube d'alimentation illustré sur la figure 4 est un tube en PVC de 3" d'une longueur de 24". Le tube est fixé au couvercle par deux brides supérieures en PVC 4X3, une de chaque côté du couvercle. La bride extérieure est recouverte d'un bouchon de nettoyage et d'un bouchon en PVC de 4".[24]
Fig. 1 : Robinet d'évacuation sur le biodigesteur à fût
Fig. 1: Effluent tap on the barrel biodigester
Fig. 2: Internal draining system
Fig. 3: Gas release mechanism for the barrel biodigester
Fig. 4: The internal components of the feeding tube: 3" PVC
Fig. 5: The external components of the feeding tube: pop top flange & cleanout and plug
Étape 2 : Sceller les trous et les fuites
La première étape de la construction consiste à trouver et à sceller les fuites ou les trous qui pourraient se trouver dans le baril. Pour détecter les fuites, remplissez le tambour d’eau et examinez l’extérieur du tambour à la recherche de fuites. Si des fuites sont détectées, marquez leur emplacement pour référence future. Une fois toutes les fuites identifiées, videz l’eau du tambour et procédez au colmatage des fuites. Les fuites peuvent être colmatées en appliquant du goudron sur place. Continuez à remplir le tambour d'eau et colmatez les fuites avec du goudron jusqu'à ce qu'aucune fuite ne soit trouvée. [25]
Démarrer
Le démarrage d’un digesteur anaérobie est un élément clé du succès du digesteur. La production de gaz n’atteindra son plein potentiel que lorsque le digesteur sera parvenu à maturité. Bien qu'il soit possible de démarrer un digesteur en combinant simplement les déchets et l'eau dans le digesteur et en le fermant hermétiquement, ce processus prendra extrêmement longtemps pour mûrir et atteindre ses pleines capacités. Il est désormais courant dans la recherche et dans la pratique d'« ensemencer » le digesteur avec l'effluent d'un autre digesteur en fonctionnement. [20] [17] [26]L’ajout de cet effluent fournira un point de départ au digesteur et augmentera la vitesse à laquelle il atteint sa maturité. Le gaz produit lors de cette phase de « démarrage » ne possédera pas les mêmes caractéristiques d'inflammabilité que le gaz produit par un digesteur mature et ne devra pas être collecté. Il a été affirmé précédemment que le mélange est bénéfique pour un biodigesteur mature, mais on ne peut pas en dire autant de la phase de démarrage. Il a été démontré que le mélange lors de la phase de démarrage augmente le temps nécessaire à un nouveau digesteur pour atteindre sa maturité. [27]
Utiliser
Comme indiqué précédemment, la matière organique est nécessaire à la production de biogaz. Le digesteur fonctionnant comme un réacteur à cuve continue, il doit être alimenté quotidiennement à la même heure. Le taux de chargement des déchets doit être compris entre 1 et 6,8 g/L*jour. [28] Pour maintenir un volume constant, il convient de prélever une quantité d'effluent égale au volume de déchets ajouté. [11] Après maturation du digesteur, la collecte des gaz est prête à commencer. La collecte de gaz peut avoir lieu soit en permanence grâce à l'utilisation d'un mandrin pneumatique verrouillable sur l'appareil de stockage, soit périodiquement lorsque du biogaz est nécessaire.
Impact social et économique
La biodigestion a des impacts sociaux et économiques importants, tant dans les pays développés que dans les pays en développement. Dans les deux cas, il y a un gaspillage important de matières organiques et des besoins énergétiques croissants. Alors que la digestion anaérobie dans les pays développés se produit à une échelle nettement plus grande que les systèmes domestiques, les concepts des deux sont les mêmes : produire de l'énergie utilisable à partir des déchets. À l'échelle développée, la digestion anaérobie a lieu dans les installations de traitement des eaux usées, les brasseries, les fermes commerciales et les marchés biologiques à grande échelle pratiquent tous fréquemment la digestion anaérobie. [29] [30] [31]Des travaux importants sont en cours pour amener les biodigesteurs dans les pays en développement. Des projets au Pérou et au Népal ont montré des impacts significatifs dus à l'introduction de digesteurs anaérobies. Même si ces projets ne sont certainement pas reproduits dans le monde entier, ils sont assez souvent réalisés avec des niveaux de succès variables. Ces projets ont révélé des impacts positifs sur la santé liés 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 des taux de déforestation plus faibles résultant d'une moindre consommation de bois de chauffage, et des impacts sociaux sur les femmes et les enfants qui n'ont pas à y consacrer beaucoup de temps. ramasser du bois. [32] [3]
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