Technologies de la méthanisation des effluents

Traitement des effluents

Le traitement anaérobie est donc particulièrement bien adapté aux effluents chargés, et ceux qui contiennent une forte portion de carbone par rapport à l’azote et au phosphore. Parfois, il est nécessaire d’ajouter des compléments nutritionnels pour faire face aux carences des effluents ou à la non-biodisponibilité d’éléments nutritionnels indispensables. En général on

• Cellules libres ou en flocs
• En biofilms
  • Granules
  • Supports
    • Fixe
    • Mobile

Il est considéré que la composition des effluents doit avoir les rapports suivants de DCO/N/P : 600/7/1, ce qui n'est totalement différent des besoins en aérobiose de 100/5/1.

Le schéma de principe de son intégration dans une filière de traitement d'effluent industriel est représenté sur la figure 1.

Technologie de la digestion anaérobie

La technologie anaérobie de traitement des effluents est d'une grande diversité.

Elle peut mettre en œuvre des systèmes à deux étapes (réacteur d'acidogénèse suivi de l'acétogénèse et de la méthanogénèse) ou à une seule étape (toutes les réactions biologiques se font dans un même réacteur).

Elle a été principalement axée sur le maintien de la biomasse dans le digesteur, ce qui lui permet d'atteindre des concentrations en micro-organismes de plusieurs dizaines de grammes.

Les micro-organismes peuvent se développer isolément. Ils ont aussi la faculté naturelle de se regrouper de différentes manières. Ils peuvent s'assembler de manière « lâche » pour former des « flocs », ou se fixer étroitement entre eux et former des biofilms.

Ces biofilms peuvent se former sans support, et l'on a alors des « granules ». Ils peuvent se former sur un support qui peut être fixe ou mobile dans le réacteur. Un schéma de ces différentes structures est représenté sur la figure 2.

Cette stratégie a été réalisée par des opérations de recyclage (décanteurs, membranes) ou de rétention via la formation de flocs ou de biofilms (granules, biofilms sur supports fixes ou mobiles). Des exemples de technologies utilisées sont reportés sur les figures 3a, 3b et 3c.

Réacteur mélangé et le contact anaérobie

Les premiers digesteurs de ce type ont été conçus, au départ, pour la digestion des boues aérobies de station d'épuration. L'unité de traitement comprend principalement un digesteur mélangé par des moyens mécaniques ou par une recirculation.

tion de biogaz. Afin d’augmenter le temps de séjour des micro-organismes, un décanteur placé après le digesteur permet (comme pour les systèmes de boues activées fonctionnant en continu) de recycler une partie des micro-organismes. Ce type de réacteur est bien adapté au traitement d’effluents chargés en matière en suspension.

Réacteur à lit de boues

Le digesteur à lit de boues consiste à faire passer l’effluent à traiter à travers un lit de boues, au-dessus duquel se forme une séparation boues/liquide. La vitesse ascensionnelle de l’eau est relativement faible, de l’ordre du mètre à l’heure, voire moins. Dans cette technologie, les micro-organismes sont sous forme de flocs et la décantation se réalise dans le réacteur. La maîtrise de l'hydraulique est donc très importante pour maintenir une bonne rétention des boues. Ce réacteur a un fort caractère piston.

Réacteur à compartiments

Le principe consiste à faire passer l’effluent à traiter dans différents compartiments en série contenant des lits de boues anaérobies. Cette stratégie peut être mise en œuvre avec des compartiments distribués horizontalement. L’alimentation peut être répartie dans plusieurs compartiments avec des proportions différentes.

Dans ce type de technologie, on a non seulement des lits de boues mais aussi des granules qui se forment spontanément. Ce type de réacteur présente l’avantage de capter immédiatement l’hydrogène formé dans la phase acidogène évitant ainsi des inhibitions possibles de l’acétogénèse et de la méthanogénèse acétoclastique par cette molécule.

Le bassin de méthanisation

Ce procédé extensif est un bassin couvert qui contient un lit de boues. Le volume du réacteur peut faire plusieurs dizaines de milliers de m³. La température du système, qui n’est bien sûr pas régulée, conditionne l’activité microbienne et donc la charge à appliquer. Les IAA possèdent souvent des effluents chauds ou calories qui peuvent être facilement disponibles. Une bonne isolation du procédé permet de maintenir des températures acceptables pour avoir une bonne cinétique de la réaction biologique. Le dispositif de couverture flottante des bassins permet de récupérer le biogaz produit et de s’affranchir des éventuels problèmes d’odeurs.

Réacteur UASB (Up-flow Anaerobic Sludge Blanket)

Cette technologie est basée sur la formation de granules. L’effluent est réparti sur le bas du réacteur et traverse un lit de boues constitué en partie par des flocs de micro-organismes mais surtout par ces granules.

En haut du réacteur, système de piègeage du biogaz qui permet la réalisation d’un décanteur intégré retenant les granules et les flocs qui seraient entraînés. La vitesse ascensionnelle du liquide est inférieure à 1 m·h⁻¹, souvent voisine de 0,7 m·h⁻¹. Cette technologie, très rustique, a été installée dans de nombreux pays. Une variante de cette technologie est aussi très exploitée, c’est l’EGSB qui a un rapport hauteur sur diamètre très supérieur à l’UASB (figure 4). L’EGSB est une variante avec un rapport hauteur/volume plus important et souvent un décanteur lamellaire pour la séparation liquide/solide.

Le filtre anaérobie

Le filtre anaérobie est réalisé avec un support fixe, réparti en vrac dans le réacteur ou bien orienté. Ce support est colonisé par les biofilms. Il est traversé par l’effluent à traiter en flux ascendant ou descendant. L’effluent est donc distribué soit sur le bas, soit sur le haut du réacteur, et traverse ensuite le garnissage.

Lors de l’utilisation de garnissage vrac, pour éviter les chemins préférentiels qui peuvent se créer à la longue, une remise en suspension de l’ensemble du garnissage est généralement nécessaire. Ceci peut être réalisé par une recirculation du biogaz qui met en fluidisation momentanément les supports.

Afin de faire travailler l’ensemble du réacteur de manière la plus homogène possible, un recyclage de l’effluent peut être effectué.

Le lit fluidisé

Ce réacteur à biomasse fixée présente la particularité d’avoir un support particulaire qui est mis en fluidisation par un courant de liquide ascendant, pour des supports qui ont une densité supérieure à un, ou descendant pour des densités de sup-

Sur ces particules se développent le biofilm. Les systèmes industriels actuels ne sont réalisés qu’avec des flux ascendants.

Ce type de réacteur permet d’obtenir de très fortes concentrations en micro-organismes (30 à 40 g·l⁻¹) et peut donc accepter les charges volumiques les plus élevées. Compte tenu des temps de séjour qui peuvent être très courts, une acidification préalable peut être nécessaire pour certains substrats (réacteur à deux étapes). Pour assurer la fluidisation du matériau, il faut maintenir une vitesse de 5 à 10 m·h⁻¹, ce qui demande un recyclage de l’effluent (voire plus si la densité du support est très élevée). Un séparateur triphasique en sortie permet de récupérer le matériau qui pourrait être entraîné et de le recycler au moyen d'une pompe. Les caractéristiques des supports vont donc conditionner les conditions hydrodynamiques appliquées. Les principaux avantages du procédé sont l’absence de risque de colmatage, le faible encombrement, des surfaces spécifiques importantes, et donc des charges organiques appliquées très importantes.

Le réacteur à recirculation interne

Ce type de réacteur utilise la production de biogaz pour agiter le milieu. Dans le compartiment (1), les boues anaérobies méthanisent la matière organique et le biogaz collecté entraîne, dans une canalisation, le mélange boues-liquide-biogaz. Ce dernier est séparé en haut du réacteur (compartiment 3) et le mélange, liquide plus boues, redescend. Ceci conduit une agitation naturelle du système. Le liquide passe de la chambre (1) à la chambre (2), plus calme (car peu de biogaz est formé), qui retient les boues dans le digesteur. Le peu de biogaz formé ici est récupéré, et le liquide passe dans la chambre (4) qui joue le rôle de décanteur.

Le digesteur hybride

Le réacteur dit « hybride » est composé d'une partie basse avec un lit de boues et, en partie haute, d'un filtre anaérobie à support fixe.

Les charges organiques appliquées

Les charges organiques appliquées en digestion anaérobie sont extrêmement élevées (de 1 à 40 kg de DCO/m³ de réacteur/jour).

Elles dépendent de la technologie utilisée, de la nature de l’effluent (biodégradabilité), de sa concentration en DCO, de la température de fonctionnement…

Les rendements d’épuration sont aussi importants (70 à 95 % sur la DCO). La production théorique de biogaz à 25 °C est de 760 litres (50 % CH₄ et 50 % CO₂) par kg de DCO éliminée. Le biogaz produit a des concentrations de 55 à 80 % en méthane. Il peut contenir du H₂S, de l’hydrogène… en fonction des conditions de mise en œuvre et de la composition de l’effluent à traiter.