Guide pédagogique La biologie des digesteurs à destination des exploitants d’un
Guide pédagogique La biologie des digesteurs à destination des exploitants d’unités de méthanisation Novembre 2014 Guide pédagogique • ADEME BOURGOGNE 3 2 Introduction L a méthanisation est un procédé microbiologique complexe et fragile. En plus des éléments méca- niques et énergétiques de l’installation, la biologie dans les digesteurs est un élément essentiel à prendre en compte et à surveiller pour assurer une production de méthane sécurisée et maximale. Vous êtes exploitant d’une installation de méthani- sation et vous souhaitez vous approprier son fonc- tionnement et suivre ses performances. Ce guide est fait pour vous ! Il aborde les mécanismes biologiques qui s’opèrent dans votre digesteur, détaille les principaux pro- blèmes biologiques et donne des pistes pour les éviter et les réparer. Il précise également les pa- ramètres importants à prendre en compte pour effectuer un suivi pertinent de votre installation. Sommaire guide pédagogique 1. Étapes biologiques de la méthanisation PAGE 04 2. Les principaux problèmes PAGES 05 À 08 • L’acidose PAGES 05 À 06 • L’alcalose PAGE 07 • Les autres problèmes biologiques PAGE 08 3. Paramètres de suivi d’un digesteur PAGES 09 À 11 • Paramètres visuels simples PAGE 09 • Paramètres à calculer PAGE 10 • Paramètres à mesurer PAGE 11 4. Contacts / Coordonnées / Documents à consulter PAGE 12 L’acidose 05 À L’alcalose Les autres problèmes biologiques Paramètres visuels simples Paramètres à calculer Paramètres à Document réalisé par l’ADEME Bourgogne d’après le document “biologie des digesteurs” réalisé par S3D et APESA pour le compte de l’ADEME Bourgogne Apport trop important de matière. L’hydrolyse et l’acidogénèse qui sont des réactions rapides et favorisées par un pH acide, dégradent toute la matière organique et produisent des AGV et de l’H2. L’acétogénèse est inhibée par l’acidité du milieu et par la pression en H2 qui s’accumule, n’étant plus dégradé par la méthanogénèse. La méthanogénèse est inhibée par l’acidité du milieu : la production de méthane diminue et celle de CO2 augmente. Guide pédagogique • ADEME BOURGOGNE Guide pédagogique • ADEME BOURGOGNE 5 4 La méthanisation ou digestion anaérobie est un processus biologique de dégradation de la ma- tière organique en biogaz, un mélange gazeux de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2). On distingue quatre étapes principales dans ce pro- cessus de dégradation : 1. L’hydrolyse : réaction rapide réalisée avec un pH acide (entre 4,5 et 6,3) qui résiste à la présence d’oxygène 2. L’acidogénèse : réaction rapide réalisée avec un pH acide (entre 4,5 et 6,3) inhibée par la présence d’oxygène 3. L’acétogénèse : réaction lente réalisée avec un pH neutre (entre 6,8 et 7,5) inhibée par l’H2 4. La méthanogénèse : réaction très lente réalisée avec un pH neutre (entre 6,8 et 7,5) Chaque groupe de bactéries nécessite des conditions particulières pour se développer de manière optimale : • Gamme de pH optimal • Tolérance ou non à la présence d’oxygène • Sensibilité à l’H2S, NH3, sels, antibiotiques, … D’OÙ ÇA VIENT ? L’acidose peut être provoquée par : • une trop grande quantité de matières fermentescibles in- troduites dans le digesteur (cer- taines matières entrantes sont plus rapidement hydrolysées que d’autres comme les matiè- res riches en glucides et lipides (graisses, effluents agroindus- triels, déchets GMS, etc.) ; • une inhibition des bactéries acétogènes et méthanogènes par différentes substances : H2S, NH3, sels, antibiotiques et dé- sinfectants… L’acidose provoque une accu- mulation d’Acides Gras Volatils (AGV) dans le milieu, ce qui engendre une baisse du pH qui inhibe l’activité des bactéries et entraîne une baisse de produc- tion du biogaz. 1 L’acidose Étapes biologiques de la méthanisation Les principaux problèmes biologiques Guide pédagogique • ADEME BOURGOGNE Guide pédagogique • ADEME BOURGOGNE ACIDOSE : COMMENT LA REPÉRER ? 1. Les premiers symptômes sont : • Augmentation de la pression partielle en H2 ; • Baisse de l’alcalinité (TAC) ; • Accumulation des acides gras volatils et modification de la proportion entre acides (diminution de la présence d’acide acétique et augmentation des acides propionique, butyrique et valérique). L’acide propionique est le premier à s’accumuler donc le meil- leur indicateur. 2. Les symptômes suivants sont : • Baisse de la production de biogaz ; • Baisse du CH4 dans le rapport CH4/CO2 ; • Déplacement de l’H2S vers la phase gazeuse. COMMENT RÉAGIR ? • Stopper l’apport de substrats puis réévaluer la ration ; • Diluer le mélange dans le digesteur avec une matière de type lisier pour augmenter le pouvoir tampon ; • Ajouter du bicarbonate de sodium (NaHCO3) afin de faire remonter le pH et augmenter le pouvoir tampon. COMMENT LA PRÉVENIR ? 1. Bien maîtriser sa ration : • Surveiller les quantités de matières intro- duites. • Calculer la charge organique entrante. 2. Être très vigilant pour tout nouvel intrant (présence d’inhibiteurs) : • Colza, paille de colza, autres cruci- fères… : les substrats riches en acides aminés contenant du souffre peuvent être à l’origine d’une augmentation de la teneur en H2S dans le digesteur ; • Recirculation de digestat liquide, produit riche en azote… : la production d’ammo- nium dans le milieu est quant à elle liée à l’introduction de substrats riches en azote ; • Antibiotiques, désinfectants… : l’inhibi- tion peut également provenir de substances utilisées pour la conduite de l’élevage ou pour le nettoyage des bâtiments. 7 6 D’OÙ ÇA VIENT ? • L’alcalose provient d’un excès d’ammoniac dans le milieu, conséquence d’un apport de substrat trop riche en protéines. L’ammoniac entraîne une aug- mentation du pH et inhibe les bactéries acidogènes et acéto- gènes. Les produits d’hydrolyse s’accumulent : acides aminés, acides gras volatils, … L’alcalose est un processus assez lent et qui ne bloque pas forcement entièrement les réactions et la production de biogaz. Le milieu peut réus- sir à s’adapter, par contre cela engendre une perte de rende- ment, tout le potentiel métha- nogène des substrats n’est pas exploité. Cette diminution de performance peut inciter l’ex- ploitant à augmenter les ton- nages entrants, au risque de provoquer alors une acidose. ALCALOSE : COMMENT LA REPÉRER ? • Augmentation de la concentra- tion en NH3 dans le digestat • Augmentation du pH • Augmentation des acides gras mais de longues chaînes • Baisse de la production de biogaz mais maintien de la proportion CH4/CO2 • Production possible de mousse 2 L’alcalose Apport de substrat riche en protéines. L’acidogénèse et l’acétogénèse sont inhibées par l’ammoniac. Accumulation d’AGV de grande taille, acides aminés, alcools. La méthanogénèse fonctionne encore, le rapport CH4/CO2 se maintient, mais la production de biogaz diminue. COMMENT RÉAGIR ? • Stopper l’apport de substrats riches en protéine ; • Introduire des substrats moins riches en protéine et forte- ment fermentescibles pour relancer l’activité des bactéries. COMMENT PRÉVENIR ? • Connaître la concentration en NH3 de chaque substrat et mesurer si la limite n’est pas atteinte avec l’apport d’un nouveau substrat. Les principaux problèmes biologiques problèmes biologiques Les principaux problèmes biologiques problèmes biologiques 1 L’acidose Guide pédagogique • ADEME BOURGOGNE Guide pédagogique • ADEME BOURGOGNE 1 Paramètres visuels simples 9 8 3 Autres problèmes biologiques 1. EXCÈS DE H2S : Une accumulation de H2S vient d’un excès de protéines dans la ration ce qui inhibe princi- palement l’acétogénèse et dans une moindre mesure la méthanogénèse. COMMENT LA REPÉRER ? • Augmentation des AGV de grande taille ; • Augmentation de la pression en H2 ; • Baisse de la production de biogaz mais maintien de la proportion CH4/CO2 ; • Augmentation de la concentration de H2S dans le digestat (> 50 mg/l de digestat) et plus de 2 000 ppm dans le biogaz. COMMENT RÉAGIR ? • Stopper l’apport de substrats riches en protéines ; • Introduire des substrats moins riches en protéines et fortement fermentescibles pour relancer l’activité des bactéries. COMMENT PRÉVENIR ? • Connaître la concentration en NH3 de cha- que substrat et mesurer si la limite n’est pas atteinte avec l’apport d’un nouveau substrat. 2. EXCÈS DE MÉTAUX LOURDS : L’excès de métaux lourds provoque l’inhi- bition de la méthanogénèse entrainant une acidose. LES DOSES À RESPECTER EN MÉTAUX LOURDS SONT DE L’ORDRE DE : • Cu < 50 mg/l • Zn < 150 mg/l • Cr < 100 mg/l 3. MANQUE DE MICRO-NUTRIMENTS : Enfin, une carence en nickel (Ni) peut éga- lement entraîner une inhibition des bactéries méthanogènes : on constate alors une baisse de la production de méthane et une accumula- tion d’AGV dans le milieu, ce qui entraîne une baisse du pH et un risque d’acidose. Il est donc important de vérifier que les substrats utilisés apportent du nickel. Cependant, il est important de noter que ce problème intervient surtout en Alle- magne où les cultures énergétiques sont fortement utilisées comme substrat pour la méthanisation, or ces cultures sont géné- ralement pauvres en Ni, d’où les carences observées. D’autres problèmes biologiques peuvent survenir, tels que l’intoxication à l’H2S, à l’oxygène ou encore à d’autres contaminants (métaux lourds, antibiotiques, désinfectants…). D’autres problèmes peuvent également intervenir selon les propriétés physiques des substrats (subs- trats trop secs, trop flottants…). Paramètres de suivi d’un digesteur uploads/Philosophie/ biologie-digesteurs-synthese-2014.pdf
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- Publié le Jan 15, 2022
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