Chapitre 6 : Les traitements biologiques anaérobies

Question 1

Nommez deux traitements anaérobies

Answer 1

Digestion anaérobie et fermentation méthanique (ou biométhanisation)

Question 2

Qu’est-ce qu’un traitement anaérobie ?

Answer 2

Transformation de la matière organique en biogaz par une population microbienne complexe en absence d’oxygène.

Question 3

Qu’est-ce que le biogaz ?

Answer 3

Gaz combustile composé principalement de méthane et de gaz carbonique

Question 4

Nommez les avantages des traitements biologiques anaérobies

Answer 4

• Faible consommation d’énergie pour les besoins du traitement
• Effluent avec une forte charge polluante organique: production de biogaz conséquente et utilisable industriellement ou à l’échelle d’une ferme
• Faible production de boues biologiques en excès (5x moins qu’un traitement aérobie)
• Capacité de traitement d’effluents fortement chargés (1-30 g/L)

Question 5

Nommez les inconvénients des traitements anaérobies

Answer 5

• Nécessité d’un traitement aérobie ultérieur pour atteindre une bonne épuration
• Temps de séjour important (réacteurs + gros)
• Mauvaises odeurs (H2S, mercaptans)
• Températures élevées requises (35 °C)
• Sédimentation de la biomasse anaérobie plus difficile que celle des boues activées
• Ensemencement long (8-12 semaines)
• Risque inhérent au biogaz (incendie, explosion)

Question 6

Quelles sont le 3 grandes étapes du processus biochimique anaérobie de méthanisation ?

Answer 6

1. Hydrolyse et acidogénèse
2. Acétogénèse
3. Méthanogénèse

Question 7

Qu’est-ce que l’hydrolyse?

Answer 7

Formation d’acides gras volatils (acide acétique, propionique, butyrique, valérique…)

Question 8

Qu’est-ce que l’acétogénèse ?

Answer 8

Transformation des acides volatils à longues chaînes en acide acétique et hydrogène

Question 9

Qu’est-ce que la méthanogénèse ?

Answer 9

Transformation d’acides gras volatils en CH4 et CO2
et
dégradation des acétates
(bactéries méthanogènes acétoclastes (assurent la dégradation des acétates) et bactéries méthanogènes hydrogénophiles (consomment l’hydrogène et le CO2 pour produire du méthane et de l’eau)) (voir slide 4 ppt. chap 6 pour les équations chimiques)

Question 10

Quelle est la composition type du biogaz?

Answer 10

CH4 : 55-75%
CO2 : 25-40%
H2 : 1-5%
N2 : 2-7%

Question 11

Nommez les technologies de traitement par des cultures bactériennes libres

Answer 11

• bassin de méthanisation
• Réacteur agité
• réacteur à compartiments
• Réacteur up-flow anaerobic sludge blanket (UASB)

Question 12

Nommez les technologies de traitement par des cultures bactériennes immobilisées et leurs caractéristiques

Answer 12

• Filtre anaérobie
• Lit fluidisé
• Cultures bactériennes immobilisées sur un support: permet d’augmenter la quantité de microorganismes
• Volume plus faible avec des performances plus élevées

Question 13

Qu’est-ce qu’un bassin de méthanisation?

Answer 13

• Procédé extensif en un bassin couvert ou lagune
• Volume : beaucoup de m3
• Système de brassage ou garnissage permettant une répartition des microorganismes dans toute la masse liquide
• Mise en place d’une couverture flottante pour récupération du biogaz

Question 14

Qu’est-ce qu’un réacteur agité ?

Answer 14

• Digesteurs conçus initialement pour la digestion des boues aérobies de station d’épuration
• l’unité de traitement comprend: un digesteur mélangé et un décanteur
• Recyclage des boues (microorganismes)
• Réacteurs bien adaptés au traitement d’effluents chargés en matières en suspension

Question 15

Qu’est-ce qu’un réacteur à compartiments ?

Answer 15

L’effluent à traiter passe dans différents compartiments en série contenant des lits de boues anaérobies. Les compartiments peuvent être installés horizontalement ou verticalement.

Question 16

Qu’est-ce que le UASB ?

Answer 16

• Technologie basée sur la capacité des microorganismes anaérobies à faire des granules décantables
• L’effluent traverse un lit de boues constitué en partie par des flocs de microorganismes et par ces granules
• Un décanteur intégré permet de recycler les boues entraînées et de les maintenir dans le réacteur

Question 17

Décrivez le filtre anaérobie

Answer 17

-Le film bactérien anaérobie se développe sur un support fixe
- Support: matériau plastique qui peut être réparti en vrac dans le réacteur ou bien orienté
- Effluent à traiter en flux ascendant ou descendant
- Garnissage en vrac:
- remise en suspension de l’ensemble du garnissage nécessaire pour décolmater et éviter les chemins préférentiels
- Recyclage de l’effluent permet de bien mélanger la pollution à traiter et de faire travailler l’ensemble du réacteur de manière homogène.
- La surface spécifique des garnissages:
-paramètre important qui influence fortement les performances des digesteurs

Question 18

Décrivez le lit fluidisé

Answer 18

• Réacteurs garnis d’un matériau granulaire très fin (n’est pas < 0,5 mm; surface spécifique # milliers de m2/m3) sur lequel se développe le biofilm
• Les grains de ce garnissage sont mis en fluidisation par l’effluent:
  - Courant ascendant si densité du garnissage > 1
  -Courant descendant si densité du garnissage < 1
• Ce garnissage permet d’obtenir de très fortes concentrations en microorganismes (30 à 40 g/L)

-Traitement des effluents très chargés
-Le temps de séjour dans le réacteur peut être très court,
- Nécessité d’une acidification préalable de l’effluent

• La fluidisation du matériau est assurée
  grâce à une vitesse de 5 à 10 m/h
• recyclage de l’effluent
• Un séparateur triphasique à la sortie du réacteur permet de récupérer le matériau qui pourrait être entraîné et de le recycler à l’intérieur du réacteur

Question 19

Décrivez les conditions opératoires en lien avec la température

Answer 19

Généralement à température mésohphile (35 C)
*Possible à 25 C mais diminution de la production de CH4 lorsque la température est plus basse que 20 C

-Contrôle de la température dans les réacteurs nécessaire,
- Dispositif de chauffage
- Temps de séjour courts: contrôle de T effectué sur l’effluent entrant
- Temps de séjour longs: contrôle de T effectué dans le réacteur

Question 20

Décrivez les conditions opératoires en lien avec le pH

Answer 20

• Le pH optimal est proche de la neutralité (6.5< pH < 8.5)
• Le pouvoir tampon du milieu: Rôle important pour la stabilité du système
• Pouvoir tampon: résistance au changement du pH exercée surtout par le bicarbonate d’ammonium NH4HCO3 (réserve alcaline) en équilibre avec CO2
• L’alcalinité:paramètre plus sensible que le pH et une diminution de l’alcalinité peut indiquer un déséquilibre bien avant la décroissance du pH.
• Une concentration en AGV > [200 et 400 mg/L] fait chuter le pH vers 3-4
  - arrêt de la méthanogenèse
• Nécessité de corriger les variations de pH par ajout de produits correcteurs (soude par exemple).

Question 21

Comment est valorisé le biogaz ?

Answer 21

En général: valorisation par combustion dans des chaudières qui génèrent de la vapeur utilisée pour réchauffer l’installation elle-même ou d’autres bâtiments sur le site de l’usine. Il est généralement utilisé en ligne.
Pour des raisons de sécurité, une torchère complète souvent l’installation.

Question 22

Discutez de la stabilité des digesteurs

Answer 22

Quantité de matière organique à traiter doit être adaptée aux capacités réactionnelles du procédé.
- Ajustement de la quantité de pollution entrante à la vitesse de transformation de l’étape limitante

Une alimentation trop importante:
-Accumulation d’AGV dans le milieu,
-Baisse du pH dans la phase liquide
-Augmentation de la teneur en H2 et CO2 dans la phase gazeuse –> Diminution de la teneur en CH4

Question 23

Discutez du démarrage et de l’ensemencement des digesteurs

Answer 23

Un ensemencement des réacteurs anaérobies est toujours nécessaire sauf dans le cas des lisiers.

La quantité de boues d’ensemencement doit être la plus forte possible afin de réduire le temps de démarrage car, dans les traitements anaérobies,
la synthèse de microorganismes est faible, elle est de l’ordre de 0,1 à 0,2 kg de MV par kg de DBO éliminée.

Au début, la charge volumique doit être faible pour éviter un départ en acidogenèse puis elle peut être augmentée progressivement tout en maintenant le pH voisin de 7 et la concentration en acides gras volatils faible et inférieure à 1 g/L environ. La charge appliquée peut être doublée tous les10 à 20 jours mais cela est variable selon l’effluent et le procédé utilisé.