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N° d’ordre : 4469 Université Bordeaux 1 THESE Présentée pour obtenir le titre d

N° d’ordre : 4469 Université Bordeaux 1 THESE Présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR de L’UNIVERSITE BORDEAUX 1 Ecole doctorale : Sciences Physiques pour l’Ingénieur (SPI) Spécialité : Mécanique par Essam ALMANSOUR Bilans énergétiques et environnementaux de filières biogaz : Approche par filière-type Soutenue le 19 décembre 2011 devant le jury composé de : MM. J.P. D. Renaudin Froelich Professeur, Université Bordeaux 1 Professeur, Arts et Métiers ParisTech, Chambéry Président Rapporteur J. D. Mercadier Bruneau Professeur, Université de Pau et des Pays de l’Adour Maître de Conférences HDR, Arts et Métiers ParisTech, Talence Rapporteur Directeur de Thèse J.F. Bonnet Maître de Conférences, Université Bordeaux 1 Encadrant J.R. Puiggali Professeur, Université Bordeaux 1 Encadrant 1 À ma mère et mon père À mes chéris Maissa et Emad À ma famille À ma Syrie adorable 2 Remerciements Les travaux présentés ici ont été réalisés au Laboratoire I2M - Département TREFLE (Talence, France), grâce au soutien financier de l’Université Al-Baath (Homs, Syrie). Avant tout, je souhaite remercier M. Jean-Rodolphe Puiggali pour m’avoir accepté au sein du TREFLE. Je suis honoré de vous avoir eu parmi mes encadrants et je vous remercie pour votre soutien, votre disponibilité et votre compréhension. Je voudrais aussi remercier M. Jean- François Bonnet pour avoir encadré ma thèse, pour ses conseils et surtout pour sa sympathie. Je souhaite également remercier M. Denis Bruneau pour avoir dirigé ma thèse et pour m’avoir aidé au cours de toutes mes démarches administratives. Merci à M. Jean-Pierre Renaudin, Professeur à l’Université de Bordeaux 1, d’avoir accepté de présider le jury chargé d’évaluer cette thèse. Je remercie les Professeurs Daniel Froelich et Jacques Mercadier de m’avoir fait l’honneur d’être les Rapporteurs de cette thèse. Mes pensées vont aussi vers tous les doctorants du laboratoire avec lesquels j’ai partagé les moments difficiles et agréables. Merci surtout à Fouzia de m’avoir écouté pendant l’une des périodes les plus dures, à Manuel pour les discussions utiles, à Lilian, Thomas, Alex, Sandra, Vladimir, Wafa, Nisrine, Marie, Olfa, Carolina et tous les autres. Je n’oublie pas les permanents. Mes chers amis : Kais, Houssam, Rania, le petit Hassan, Majed, Dalia, Fadi, Tammam, Dima, le petit Mohamad, Mariia, Rana, vous qui m’avez construit une famille chaleureuse en France, merci pour tout, pour les moments qu’on a vécus ensemble, pour tous les souvenirs que vous me laissez, je ne vous oublierai jamais. Mama, Papa, Maissa et Emad, je sais que vous auriez aimé être à mes coté le jour de ma soutenance. Ce n’était pas possible physiquement, ça a été douloureux pour moi mais je sais que vous étiez présents par la pensée. Maintenant, le moment de rentrer est proche, on sera bientôt tous réunis. Un grand merci à mon pays qui a toujours été généreux avec moi et qui m’a donné la chance de réaliser mon rêve : faire un doctorat à l’étranger, puis devenir Maître de Conférence et Professeur à l’Université de ma ville. Le début de mon séjour en France a été dur mais petit à petit je m’y suis habitué. J’aime la culture de ce beau pays et j’y ai construit des amitiés inoubliables, avec des personnes provenant des quatre coins du monde. Après ce parcours de cinq ans, j’ai engrangé beaucoup de souvenirs inoubliables et j’ai également appris beaucoup de choses. Mon séjour en France s’achève bientôt mais il restera gravé dans mes pensées. Je m’en retourne vers la Syrie à laquelle je suis très attaché. Mon cœur ne m’en laisse pas le choix, il me rappelle vers cette terre qui fait partie de moi. 3 Table des matières Abréviation, sigles et unités ................................................................................................... 6 Table des figures .................................................................................................................... 8 Liste des tableaux ................................................................................................................ 11 1 Introduction ................................................................................................................... 13 2 Description des filières de méthanisation ...................................................................... 17 2.1 La méthanisation : des processus biologiques, chimiques et physiques à la filière complète ............................................................................................................................... 17 2.1.1 Procédé de méthanisation ............................................................................... 18 2.1.2 Procédés .......................................................................................................... 19 2.1.3 Paramètres physico-chimiques de la méthanisation ....................................... 21 2.2 Principales filières .................................................................................................. 22 2.2.1 Définition des filières ..................................................................................... 22 2.2.2 Typologies de filières existantes ..................................................................... 24 2.2.3 Filières émergentes ......................................................................................... 26 3 Les filières étudiées : description par systèmes-type .................................................... 29 3.1 Démarche de description d’une filière par systèmes type...................................... 29 3.2 Identification des filières étudiées, et données disponibles pour l’analyse............ 30 3.3 Données complémentaires nécessaires à l’analyse et à la construction de filières- type 31 3.3.1 Recherche de données complémentaires : enquêtes techniques et équipementiers ................................................................................................................. 31 3.3.2 Cultures dédiées et résidus agricoles .............................................................. 32 3.3.3 Boues des STEP urbaines ............................................................................... 37 3.3.4 Effluents résiduaires des fromageries ............................................................. 44 3.3.5 Effluents résiduaires des installations vinicoles ............................................. 51 3.3.6 Discussion ....................................................................................................... 58 4 Etude du potentiel par filière ......................................................................................... 59 4.1 Présentation ............................................................................................................ 59 4.1.1 Objectifs .......................................................................................................... 59 4.1.2 Démarche ........................................................................................................ 59 4.1.3 Notions et définitions ...................................................................................... 60 4.2 Etude du potentiel en France de différentes filières ............................................... 60 4.2.1 Ressources agricoles ....................................................................................... 60 4.2.2 Boues des STEP urbaines ............................................................................... 66 4.2.3 Effluents résiduaires des fromageries ............................................................. 68 4 4.2.4 Effluents résiduaires des installations vinicoles ............................................. 69 4.3 Synthèse des filières et discussion ......................................................................... 70 5 Méthodes pour les bilans environnementaux ................................................................ 72 5.1 Bilan énergétiques et environnementaux ............................................................... 72 5.1.1 Énergie ............................................................................................................ 72 5.1.2 Minéraux ......................................................................................................... 72 5.2 Analyse du cycle de vie (ACV) ............................................................................. 72 5.2.1 Phase 1 : Définition des objectifs et du système ............................................ 73 5.2.2 Phase 2 : Inventaire ......................................................................................... 73 5.2.3 Phase 3 : Analyse de l’impact ......................................................................... 73 5.2.4 Phase 4 : Interprétation ................................................................................... 75 5.3 Logiciel d’analyse environnementale utilisé (SimaPro) ........................................ 75 5.4 Méthodes d’analyse d’impact ................................................................................ 75 5.4.1 Eco-indicator 99 ............................................................................................. 76 5.4.2 EDIP2003 ....................................................................................................... 77 5.4.3 IMPACT 2002+ .............................................................................................. 77 5.4.4 ReCiPe ............................................................................................................ 78 5.4.5 Comparaison entre les méthodes retenues ...................................................... 78 5.4.6 Autres méthodes ............................................................................................. 80 5.4.7 Résultats et analyse ......................................................................................... 80 6 Bilans environnementaux des différentes filières-type et comparaison avec d’autres techniques de traitement en ACV ............................................................................................. 81 6.1 Les résidus agricoles et les cultures dédiées _ étude de cas GRCETA.SFA ......... 82 6.2 Les boues des STEP urbaines ................................................................................ 82 6.2.1 Les problématiques environnementales .......................................................... 82 6.2.2 Filière de comparaison : démarche et description .......................................... 84 6.2.3 Bilans environnementaux ............................................................................... 86 6.2.4 Analyse du cycle de vie .................................................................................. 88 6.2.5 Indicateurs retenus et amélioration de la méthode et de l’analyse ................. 96 6.3 Les effluents résiduaires des fromageries .............................................................. 97 6.3.1 Les problématiques environnementales .......................................................... 97 6.3.2 Filière de comparaison : démarche et description .......................................... 99 6.3.3 Bilans environnementaux ............................................................................. 101 6.3.4 Analyse du cycle de vie ................................................................................ 102 6.3.5 Indicateurs retenus et amélioration de la méthode et de l’analyse ............... 110 5 6.4 Les effluents résiduaires des installations vinicoles ............................................ 112 6.4.1 Les problématiques environnementales ........................................................ 112 6.4.2 Filière de comparaison : démarche et description ........................................ 113 6.4.3 Bilans environnementaux ............................................................................. 120 6.4.4 Analyse du cycle de vie ................................................................................ 121 6.4.5 Indicateurs retenus et amélioration de la méthode et de l’analyse ............... 129 7 Éléments de conclusion et perspectives ...................................................................... 131 Références bibliographiques .............................................................................................. 134 Annexe ............................................................................................................................... 139 Annexe 1 : FICHE ENQUETE STEP Urbaines ............................................................ 139 Annexe 2 : étude de cas GRCETA.SFA ........................................................................ 142 6 Abréviation, sigles et unités Abréviations : ACV : Analyse du Cycle de Vie DCO : Demande Chimique en Oxygène, présente la quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder les matières organiques par les oxydants chimiques (voie chimique). DBO5 : Demande Biochimique en Oxygène, présente la quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder les matières organiques par des bactéries (voie biologique) au bout de 5 jours. EH : Équivalent Habitant ERU : Eaux Résiduaires Urbaines ETM : Éléments-Traces Métalliques FC : Filière de Comparaison FT : Filière Type GES : Gaz à Effet de Serre IAA : Industrie Agro-Alimentaire J.C. : Jésus-Christ MES : Matière En Suspension MS : Matière Sèche N : Azote MVS : Matière Volatile Sèche OM : Ordures Ménagères P : Phosphore PCI : Pouvoir Calorifique Inférieur PEG : Potentiel d’Echauffement Global STEP : Station d’épuration UASB : Upflow Anaerobic Sludge Blanket (réacteur à lit de boues à flux ascendant) sigles : ADEME : Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie FAO : Food and Agriculture Organization of the United Nations (L’Organisation des Nations Unies pour l’Alimentation et l’Agriculture (ONUAA)) IFEN : Institut Français de l'Environnement IFV : Institut Français de la Vigne et du Vin INSEE : Institut national de la statistique et des études économiques IPCC : Intergovernmental Panel on Climate Change (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC)) ISO : Organisation Internationale de Normalisation 7 UNEP : United Nations Environment Programme (Programme des Nations Unies pour l'environnement (PNUE)) WMO : World Meteorological Organization Organisation (météorologique mondiale (OMM)) Unités : °C : degré Celsius. h : heure. L’heure est une unité de temps, d’intervalle de temps, de durée. 1 h = 60 min = 3600 s. J : joule. Le joule est une unité de travail, d’énergie et de quantité de chaleur. Il représente le travail produit par une force de 1 newton dont le point d’application se déplace de 1 mètre dans la direction de la uploads/Geographie/almansour-essam-2011.pdf