Traitement des boues - Digestion anaérobie

La digestion anaérobie

• La digestion anaérobie est un processus biologique qui permet la dégradation des matières organiques en l'absence d'oxygène.
• Les produits de la digestion anaérobie sont principalement du méthane et du dioxyde de carbone.
• Les avantages de la digestion anaérobie incluent la production de biogaz, la réduction des déchets organiques et la production d'un digestat riche en nutriments.

Les phases de la digestion anaérobie

• Les phases de la digestion anaérobie comprennent l'hydrolyse des biopolymères, la fermentation des acides aminés et des sucres, l'oxydation anaérobie des acides gras et des alcools, l'oxydation anaérobie des produits intermédiaires, la décomposition de l'acétate et l'oxydation de l'hydrogène en méthane.

Les micro-organismes impliqués

• Les principaux micro-organismes impliqués dans la digestion anaérobie sont les bactéries méthanogènes, qui produisent du méthane, et les bactéries fermentatives, qui dégradent les matières organiques en acides gras et en acides aminés.

L'hydrolyse

• L'hydrolyse est une réaction chimique où une liaison covalente est rompue par l'action d'une molécule d'eau.
• L'hydrolyse dépend étroitement de la température, du pH et de l'intensité du mélange.

La fermentation

• La fermentation est une réaction chimique et enzymatique dans laquelle les sucres et les acides aminés sont intégralement décomposés.
• Elle est rapide et complète.

L'oxydation anaérobie

• L'oxydation anaérobie est un processus de décomposition des acides gras qui libère peu d'énergie et se développe lentement, nécessitant un temps de contact prolongé.

La décomposition de l'acétate

• Une grande partie du méthane formé au cours de la digestion anaérobie provient de la décomposition de l'acétate.
• Il existe essentiellement deux groupes de bactéries impliquées : Méthanothrix dans les systèmes à faible charge et Méthanosarcina dans les systèmes à forte charge.

Les substrats présents dans les boues de digestion anaérobie

• Les trois principaux types de substrats présents dans les boues de digestion anaérobie sont les hydrates de carbone (sucre), les lipides (graisses) et les protéines.

La DCO dans les procédés anaérobies

• La DCO introduite par la boue fraîche se retrouvera presque intégralement en fin de digestion.
• La fraction de DCO détruite se retrouvera sous forme de gaz, également appelé biogaz.

Les propriétés du gaz produit

• Le gaz produit lors de la digestion anaérobie est principalement composé de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2), avec des traces d'hydrogène (H2), d'azote (N2) et d'hydrogène sulfuré (H2S).
• Les hydrates de carbone génèrent un gaz riche en CO2 qui a un faible pouvoir calorifique (PCI) et qui brûle mal.
• Les protides, et surtout les lipides, induisent des gaz qui brûlent bien et ont un haut pouvoir calorifique.

La production de gaz

• La production de gaz est estimée à partir de la réduction de la DCO, généralement en mesurant le volume de gaz produit par kg de matières volatiles introduites (MVS) détruites.
• La digestion thermophile permet une réduction des temps de séjour et une meilleure structure de la boue digérée, ce qui facilite sa déshydratation avec des particules de plus grande dimension.
• Il est important de prendre en compte la qualité de la boue utilisée, les teneurs en métaux lourds (comme le zinc, le cuivre, le cadmium et le chrome) ainsi que les conditions de digestion (mésophile ou thermophile) lors de la production de gaz dans les procédés de digestion anaérobie.

Digestion chauffée et non chauffée

• La digestion chauffée implique de chauffer les digesteurs pour accélérer le processus de dégradation des matières organiques, avec un temps de séjour de 25 jours.
• La digestion non chauffée, fossé Imhoff, ne nécessite pas de chauffage supplémentaire et dépend des conditions de température ambiantes, avec un temps de séjour de 100 jours.

Rôle des digesteurs secondaires

• Les digesteurs secondaires assurent un épaississement de la boue, terminent la digestion des particules qui ont séjourné dans les digesteurs primaires pendant un temps inférieur au temps de séjour moyen, facilitent l'évacuation des flottants et permettent un stockage intermédiaire.

Paramètres à surveiller dans une installation de digestion

• Production de gaz : ≈ 1000 Nl/kgMVS
• Composition de gaz : CO2 et CH4
• Température de digestion : 32 à 38° C
• AGV des boues digérées : 50 à 500 mg/l acide acétique
• TAC des boues digérées : 150 à 500° F
• Débit des boues fraîches et digérées
• pH des boues fraîches et digérées : 6,8 à 7,4
• Teneur en M.S. des boues fraîches
• Teneur en M.V.S. des boues fraîches et digérées
• Potentiel redox des boues digérées : 520 à 530 mV/EHN
• Teneur en CO2 ou P.C.I. du gaz : 35 % en CO2
• Débit du gaz

Épaississement des boues fraîches

• Épaissir les boues fraîches avant la digestion permet d'augmenter la concentration en matières organiques, ce qui accroît le temps de séjour en digestion pour une charge volumique donnée et facilite le processus de digestion.

Digestion à forte charge

• La digestion à forte charge est généralement réalisée en un seul stade car les digesteurs primaires puissamment brassés et régulièrement chauffés assurent la fonction de digestion proprement dite.

Étapes du processus de digestion anaérobie

• Le démarrage est l'étape qui demande le plus de soin.
• Le démarrage peut être accéléré en ensemencant les boues digérées.
• Sans ensemencement, le temps de stabilisation est d'environ deux mois.
• La production de gaz est le premier indice rapide du démarrage et de la stabilisation.

Contrôle des acides volatils

• De la chaux ou du carbonate de chaux est souvent ajouté pour apporter de l'alcalinité et contrôler les acides volatils.

Corrosions dans le digesteur anaérobie

• Il est recommandé de limiter au maximum les structures métalliques dans la zone du digesteur anaérobie des boues pour réduire les risques de corrosions.

Dépôt de matières lourdes

• Un prétraitement insuffisant, un brassage déficient ou inapproprié peuvent conduire à un dépôt progressif de matières lourdes sur le fond du digesteur.
• Ce dépôt n'est pas nocif en soi dans un processus anaérobie, mais limite la capacité utile du digesteur.

Accumulation de flottants

• Pour éviter l'accumulation de flottants, il est recommandé d'avoir un bon arrosage ou un bon dispositif brise-chapeau à action hydraulique dans le digesteur primaire.

Causes d'accidents dans les digesteurs

• Les causes les plus fréquentes d'accidents dans les digesteurs sont la mise sous vide et le manque de bon sens, un dimensionnement insuffisant des tuyauteries de transport de gaz, la formation d'un chapeau épais et compact, et le manque d'attention aux dispositifs de sécurité contre les surpressions et les sous-pressions.

Inhibition de la digestion

• Certains éléments peuvent inhiber la digestion dans un digesteur en retardant ou bloquant la fermentation méthanique par une action inhibitrice ou bactéricide sur l'activité bactérienne.
• L'ammoniac en concentration élevée peut avoir un effet retardateur sur la digestion.
• Les solvants de l'industrie chimique peuvent perturber le processus de digestion dans un digesteur.

Éléments importants pour une digestion efficace

• Pour assurer une digestion efficace dans un digesteur, il est important de disposer des moyens de chauffage nécessaires, d'installer un système de brassage puissant et sûr, d'alimenter le digesteur en boues fraîches de manière continue, d'introduire des boues concentrées en digestion, et de dimensionner le digesteur de manière à assurer un temps de séjour suffisant pour la production de gaz et la dégradation des matières organiques.

Conception de digesteurs

• Les trois grands modes de conception de digesteurs sont les digesteurs communs, les digesteurs ovoïdes et les digesteurs plats.
• Les digesteurs communs ont des fonds coniques à forte pente.
• Les digesteurs ovoïdes permettent une réduction de la surface de la coupole et des pressions légèrement plus importantes.
• Les digesteurs ovoïdes sont principalement utilisés en Allemagne et en France.

Échangeurs de chaleur

• Les trois grands types d'échangeurs de chaleur utilisés sont les échangeurs à plaques, les échangeurs tubulaires et les échangeurs à spirales.

Épaississement de la boue

• L'épaississement de la boue est un processus qui consiste à augmenter la concentration des solides dans la boue, en réduisant la teneur en eau.
• Cela permet de réduire le volume de boue à traiter et facilite son transport et sa gestion ultérieure.
• Dans les grandes stations, il est important d'épaissir séparément les boues primaires et les boues activées en excès pour obtenir le volume minimal de boues fraîches.

Stockage de boues digérées

• Le stockage de boues digérées est très intéressant car il désolidarise le fonctionnement des ouvrages de traitement d'eau de celui des ateliers de déshydratation.
• Cela permet une meilleure gestion et utilisation des boues digérées.

Caractéristiques des boues digérées

• Les boues digérées contiennent différents éléments chimiques tels que la matière organique (M.O.), la matière minérale (M.M.), l'azote (N), le fer (Fe), le calcium (Ca), etc.
• Les concentrations de ces éléments peuvent varier, mais généralement on retrouve des valeurs spécifiques pour chaque élément.

Suivi de digestion

• Les paramètres de suivi de digestion sont importants pour garantir une bonne fonctionnalité.

Dysfonctionnements

• Les principaux dysfonctionnements sont : surcharge hydraulique, passage en phase acide, défaut de brassage, formation d'un chapeau stable et surcharge organique.

Dysfonctionnements du procédé de digestion anaérobique

• Surcharge hydraulique : erreur de conception ou de fonctionnement du réacteur
• Passage en phase acide : concentrations élevées d'acides gras volatils (AGV)
• Défaut de brassage : mélange inadéquat du substrat et du biomasse
• Formation d'un chapeau stable : formation de mousse ou de biomasse à la surface du réacteur
• Surcharge organique : charge trop élevée de matières organiques à digérer

Critères d'une bonne à très bonne digestion

Alcalinité

• 3000-5500 mg CaCO3/l : indice d'une bonne capacité tampon du mélange

pH

• 6,8 à 7,8 : plage de pH optimale pour la digestion anaérobique

Autres critères

• AGV : non précisé (il faudrait une valeur spécifique)

Risques liés à la vidange d'un digesteur

• Intoxication par H2S et CH4
• Asphyxie
• Chutes
• Risques bactériologiques

Minimisation de l'impact de la vidange sur la production de biogaz

• Ajustement du pilotage des équipements de déshydratation
• Transfert des boues digérées vers un autre digesteur si possible

Étapes préparatoires avant la vidange d'un digesteur

• Disponibilité des sous-traitants
• Organisation de la sécurité pendant l'opération
• Préparation des zones de travail
• Anticipation des diagnostics des bétons dans l'ouvrage

Vidange d'un digesteur

• Soutirages progressifs à l'aide d'une unité de déshydratation
• Arrêt de l'alimentation en boues
• Ouverture du trou d'homme sur le dôme du digesteur

Risques pour la santé à l'intérieur d'un digesteur

• Intoxication par H2S et CH4
• Asphyxie
• Chutes
• Risques bactériologiques

Équipements spécifiques pour le curage du fond du digesteur

• Canon à eau pour déliter les matières solides
• Pompe de vidange adaptée aux liquides très chargés

Étapes pour remettre en état un digesteur

• Expertise de l'état des équipements
• Optimisation des canalisations et du brasseur mécanique
• Rénovation des fixations et de l'étanchéité
• Remise en route du digesteur
• Surveillance des paramètres d'exploitation

Risques liés à la remise en route d'un digesteur

• Mauvaise préparation des supports lors de la reprise des bétons
• Moussages fréquents pendant les premiers jours
• Production de biogaz insuffisante en cas de sous-charge d'alimentation

Importance de la surveillance de la température du digesteur

• Température clé pour assurer la bonne digestion des boues
• Une température trop basse peut ralentir le processus de fermentation
• Une température trop élevée peut causer des problèmes de moussage ou de déséquilibre du processus de digestion

Fin de la vidange et remise en service d'un digesteur

• Biogaz atteint sa pureté normale
• Toutes les boues fraîches sont digérées
• Paramètres du suivi analytique indiquent la stabilité du procédé

Avantages de la co-digestion sur une step

• Augmentation de la production de biogaz
• Optimisation de l'utilisation des ressources
• Réduction des coûts d'élimination des déchets
• Contribution à la transition vers une économie circulaire

Co-digestion sur une step

• Ajout de substrats organiques extérieurs aux boues dans le digesteur
• Stimulation de la digestion anaérobie
• Augmentation de la production de biogaz

Avantages de la co-digestion

• Optimisation du fonctionnement du digesteur en cas de sous-charge d'alimentation
• Augmentation de la production de biogaz
• Valorisation des biodéchets qui seraient autrement jetés

Inconvénients en cas de sous-charge sur une step

• Réduction de la production de biogaz en cas de diminution des apports externes de boues
• Gestion plus compliquée des équipements
• Difficultés à maintenir la température du digesteur en hiver

Types de biodéchets appropriés pour la co-digestion sur une step

• Déchets de l'entretien du paysage
• Sous-produits animaux
• Graisses alimentaires
• Déchets de l'industrie
• Déchets de l'industrie papetière
• Matériaux biodégradables

Prérequis pour le traitement de certains biodéchets en co-digestion sur une step

• Déchiquetage préalable des matériaux biodégradables
• Facilitation de la digestion des biodéchets dans le digesteur