La consommation énergétique mondiale pose actuellement deux problèmes majeurs, un
problème de pollution et un problème potentiel d'approvisionnement en raison d'une
augmentation régulière de cette consommation. Face à cela, la biomasse peut servir
d'alternative énergétique tout en évitant d'accentuer l'effet de serre.
150% C’est la hausse des concentrations de méthane dans l’atmosphère depuis la
Révolution industrielle (1750) LA METHANISATION et L'EPUVALISATION
La méthanisation est un procédé biologique qui permet de transformer de la matière première organique en biogaz que l'on peut, par la suite, valoriser pour la production d'énergie. Qu'est-ce que la biométhanisation? En l'absence d'air (anaérobiose), les matières organiques se décomposent, sous l'action combinée de plusieurs communautés de micro-organismes, en une suite d'étapes de dégradation qui aboutit à la formation d'un mélange gazeux combustible appelé biogaz. La dernière étape de ce processus micro biologique, appelé méthanogenèse, est assurée par la communauté des bactéries méthanigènes. Quelles sont les matières organiques méthanisables? Théoriquement, toute matière organique biodégradable est susceptible de pouvoir être biométhanisée. Certains éléments garantissent cependant une digestion optimale. Pour cela il faut une absence de composés toxiques pour les bactéries, comme certains antibiotiques par exemple, un bon équilibre des teneurs en carbone et en azote, exprimé par le rapport C/N idéalement compris entre 25 et 35 ou encore un pH proche de la neutralité, entre 6 et 8. La biométhanisation a ainsi été appliquée aux substrats organiques les plus divers tels que : - les eaux résiduaires urbaines et les boues de station d'épuration, - les effluents industriels (principalement de l'agroalimentaire mais aussi des industries chimiques, - les ordures ménagères et les eaux usées domestiques, - les déchets agricoles, aussi bien résidus végétaux de récolte que résidus d'élevage. Quels avantages présente la biométhanisation? 1. D'abord, elle est productrice d'énergie à partir de biomasse variée (agricole, urbaine ou industrielle) qui constituent des sources énergétiques renouvelables. Le biogaz produit est constitué pour l'essentiel de méthane CH4 (50 à 80%) et de dioxyde de carbone CO2 (20 à 50%) Le méthane, par son caractère combustible, confère au biogaz sa valeur énergétique. La production d'énergie constitue la finalité principale de l'application de la biométhanisation. Le biogaz peut, en effet, se substituer en partie aux combustibles fossiles classiques (fuel, charbon, gaz naturel) 2. Ensuite, la biométhanisation permet de dépolluer des effluents puisque les matières organiques qu'ils renferment sont transformées en un gaz. C'est ce qui explique en grande partie l'intérêt que portent les industries à la biométhanisation qui, en outre, leur apparaît, contrairement à l'épuration aérobie qui consomme beaucoup d'énergie, comme une technique de dépollution productrice d'énergie ! A la ferme aussi, cet aspect est important. Le traitement par digestion anaérobie d'un effluent d'élevage permet de réduire sensiblement sa charge polluante et donc aussi les risques de pollution lors de son rejet en milieu naturel. De plus, la biométhanisation "stabilise" l'effluent en éliminant les nuisances sanitaires (germes pathogènes) et olfactives (odeurs nauséabondes) ce qui constitue un avantage indéniable, surtout lors de l'épandage sur culture ou prairie. 3. Enfin, la fermentation méthanique restitue un résidu qui peut-être valorisé comme amendement organique. La valeur fertilisante des effluents d'élevage méthanisés n'est pas affectée, et même parfois améliorée : l'azote s'y retrouve en concentration relative (rapport C/N) souvent plus élevée et sous forme plus assimilable par les plantes tandis que les éléments nutritifs persistent. Qui peut songer à installer une installation de biométhanisation? En principe, donc toute entreprise, voire tout particulier (dans le cas où ce dernier dispose d'une production conséquente de substrats organiques sous forme de déchets provenant de son jardin, de ses ordures ménagères ou autres), peut "rêver" de biométhanisation. Mais, compte tenu des investissements requis, hormis les collectivités publiques, certaines entreprises déjà citées (agroalimentaires, etc.) et les exploitants agricoles, il n'est pas conseillé de "rêver". Dans la suite de ce chapitre, nous nous bornerons donc à étudier cette application dans l'optique de ces particuliers très spécifiques que sont les exploitants agricoles : car, de toutes les applications que nous avons passées en revue, on a pu constater que celles concernant l'agriculture se taillent une place confortable. La biométhanisation " à la ferme" est loin d'être un leurre. Et de façon encore plus circonscrite, seront surtout analysées les possibilités de biométhanisation à partir des résidus d'élevage, qui sont de loin les plus praticables. Les déjections quotidiennes d'un poulet produisent environ 14 litres de biogaz par jour. les déjections d'un être humain produiraient le double, soit environ 28 litres de gaz. Une vache en produirait 225 litres et un porc 255 litres environ. Procédés de Biométhanisation. Les bactéries "méthanigènes" dont nous avons parlé plus haut, et qui sont en bout de chaîne que processus, sont exigeantes. Non seulement elles ne peuvent travailler qu'en absence d'air, mais, de plus elles ne se développent de manière satisfaisante que dans des zones de température bien définies, aux alentours de 30-35°C (zone mésophile) et aux alentours de 55-60°C (zone thermophile) Aussi, la mise en oeuvre du processus de bio méthanisation, quel que soit le procédé technologique envisagé, nécessite l'utilisation d'une cuve hermétiquement fermée, étanche à l'air (appelée digesteur, réacteur ou fermenteur méthanique, ou encore bio digesteur ou bio méthaniseur) et équipée d'un système de chauffage pour maintenir une température adéquate ( généralement +-35°C) Un digesteur à méthane est un grand réservoir. Les déchets animaux versés dans ce réservoir sont transformés par les bactéries en sucres et acides plus simples, puis en gaz qui peut-être brûlé comme combustible. Recyclage du fumier L' Angleterre possède la première centrale électrique fonctionnant au fumier de volaille.
L' épuvalisation est un procédé breveté de traitement biologique et d'épuration des eaux chargées en matières polluantes, tant minérales qu'organiques. Le procédé d'Epuvalisation, appliqué à l'épuration des eaux usées, convient parfaitement pour le traitement des rejets de petites communautés à caractère estivales: campings, caravanings... Le procédé s'intègre particulièrement bien dans la nature et offre un bel ensemble de verdure. Le pouvoir de réduction des micro-organismes par l'Epuvalisation présente un intérêt justifiant aussi son utilisation lorsque les eaux usées doivent servir à l'irrigation. Les lisiers dilués et traités par le procédé de l'épuvalisation tendent à répondre aux normes nécessaires pour le rejet en rivière. La méthode est basée sur une technique : le Nutrient Film Technique (N.F.T.) Dès 1983, la faculté des sciences Agronomiques de Gembloux effectua de nombreuses études comparatives sur des espèces végétales différentes cultivées hors sol dans des goulottes de diverses natures, alimentées soit avec du lisier de porc, soit avec des vinasses de distillerie. Dès les premières recherches, une amélioration du système fut apportée par l'adjonction d'une seconde technique, le N.E.P. (Nutrition par Ecoulement Permanent). Par rapport au film de faible épaisseur du N.F.T., cette variante se caractérise par la présence continuelle d'une profondeur d'eau nutritionnelle supérieure et réglable. Cette méthode est préférable pour plusieurs raisons : 1°) En cas de pannes du système d'adduction, la présence d'une lame de liquide suffisante dans les goulottes permet aux plantes de ne pas souffrir du manque d'eau. 2°) Pour les eaux très polluées, le N.E.P. assure un contact plus franc et prolongé avec les racines des plantes où se développe une abondante flore microbienne. Celle-ci agit comme un lit bactérien vivant et en pleine croissance. Selon les types d'eaux usées à épurer, on procède à un seul ou plusieurs passages dans les goulottes. En effet, selon la charge polluante du liquide à épurer, le système peut être utilisé soit en circuit ouvert - 1 seul passage, pour les liquides faiblement chargés -soit en circuit fermé - recirculation durant plusieurs heures, voire plusieurs jours, pour les liquides fortement chargés. Alors que le fonctionnement en circuit ouvert convient très bien en traitement tertiaire des eaux usées urbaines, l'adoption du fonctionnement en circuit fermé s'avère nécessaire pour les effluents dont la charge polluante est importante, comme c'est le cas pour les lisiers bovins ou porcins. Le matériel utilisé consiste en éléments de goulottes facilement transportables, légers, de largeur accessible par le développement du bras. Les plus utilisés sont en tôle métallique recouverte d'une couche époxy particulièrement résistante aux agents agressifs, d'une largeur de 50 cm et d'une profondeur de 9 cm, avec plis raidisseurs sur la longueur. Chaque élément a une longueur standard de 5 mètres. Placés les uns à la suite des autres, ils permettent de réaliser une goulotte de la longueur désirée. 2 - Principe de l'Epuvalisation Grâce à l'écoulement par gravité du liquide à épurer et une aération abondante, la flore microbienne aérobie agit comme un lit bactérien. Elle minéralise les matières en solution et les plantes, par leur chevelu radiculaire, jouent le rôle d'un filtre puissant qui retient parfaitement les matières en suspension. La plante prélève également, pour sa croissance, une quantité non négligeable de matières minéralisées. L'élimination des boues se fait avec l'enlèvement des plantes. Les plantes utilisées font l'objet de recherches et de sélections en fonction du but à atteindre. 3 - Usages de l'Epuvalisation Le principe de l'épuvalisation à été testé et appliqué avec succès à l'épuration tertiaire des eaux usées urbaines, au traitement des lisiers et à l'épuration de produits résiduaires de l'industrie. A : Traitement des eaux usées La technique de l'épuvalisation est utilisée pour la diminution des composés de l'azote et du phosphore qui contribuent à l'eutrophisation des cours d'eau. Elle sert également à l'élimination des métaux lourds et des micro-organismes. Un seul passage dans les goulottes est souhaitable sauf si l'installation ne dispose pas d'une longueur suffisante ou si la teneur du liquide à épurer est particulièrement riche en azote ammoniacal. Au point de vue micro-biologique, l'épuvalisation permet également une diminution importante des populations microbiennes, tant en coliformes totaux et fécaux qu'en streptocoques fécaux. B : Traitement des lisiers De par leur constitution (DCO comprise entre 80.000 et 120.000mg O2/l et les très grandes quantités d'azote ammoniacal), les lisiers, tant porcins que bovins, doivent être dilués 15 à 20 fois. Le fait de tamiser le lisier avant Epuvalisation abaisse la DCO aux environ de 30.000mg O 2 /l en retirant les matières fibreuses : paille, gaspillage d'aliments,... Une partie solide importante du lisier (et une diminution de la DCO) peut encore être ôtée par décantation naturelle en citerne. La méthanisation préalable des lisiers diminue très fortement leur DCO. La nitrification étant nulle à la sortie du méthaniseur, il est souhaitable de prévoir une aération maximum du lisier avant l'épuvalisation et ainsi diminuer la quantité des bactéries anaérobies au bénéfice des bactéries aérobies. C : Epuvalisation des produits résiduels de l'industrie Le laboratoire d'Epuvaleau à la Faculté des Sciences Agronomiques de Gembloux a testé le système, avec succès, sur divers produits résiduels de l'industrie : 1) eaux de pluies récoltées en surface et très chargées en métaux lourds (Pb-Cd-Hg-...) dans une entreprise de récupération et de traitement de résidus industriels. Ceux-ci se sont tous trouvés concentrés au niveau des boues retenues dans les goulottes. 2) glycol dont les chaînes ont été suffisamment fragmentées que pour répondre aux normes de rejet. D : Utilité de l' épuvalisation sur les lixiviats Le système a été testé en circuit fermé avec un certain succès sur les lixiviats de la décharge des Isnes de Gembloux (percolats des déchets) chargés de substances minérales et organiques, après traitement par boues activées. 4 - Coûts d'une installation d'épuvalisation L'évaluation du coût d'investissement d'une installation d'Epuvalisation et des frais de son fonctionnement impose la connaissance de plusieurs caractéristiques essentielles dont les principes sont : En fonction de ces données, il est possible de déterminer le nombre de goulottes indispensables et leur longueur minimum nécessaire. Le choix des plantes, soit le coût de leur production, et, si nécessaire, de leur mode de fixation dans les goulottes, sera notamment fonction de la qualité du liquide à épurer. Du choix du terrain va dépendre également très fortement le coût de l'installation. Il faut garder en mémoire que l'Epuvalisation fonctionne uniquement par gravité. La disposition d'un terrain en pente naturelle (2 à 3 % environ) permet de placer les goulottes au ras du sol, ce qui diminue évidemment le coût d'installation. Une protection naturelle des grands vents va dans le même sens. La qualité du terrain n'intervient en rien dans ce coût. Deux goulottes de 0m50 de largeur, placés à 1m50 de distance permettent le traitement primaire, secondaire ou tertiaire de 24 m3/ jour, soit 140 à 160 équivalents-habitants (E.H.). Si une longueur de 50m s'avère suffisante, la surface couverte est de 125 m2, soit environ 0,8 m2/E.H. Prenant pour base de calcul ces deux goulottes de 50m, avec une pompe d'alimentation, on arrive à : Amortissement en 10 ans Investissements : 100 goulottes à 14.87euro/m 1.487€ 148€ Frais de fonctionnement Fourniture plantes (éminemment variable) 496€ Main d'œuvre Cette somme de 1.329€ correspond au traitement par Epuvalisation de +- 160 E.H, pendant les 8 mois les plus chauds de l'année, soit 8.50€ /E.H. pendant 240 jours durant lesquels 5760 m 3 sont traités. Cela représente un coût journalier de +- 0.02€/ jour-E.H. Application de l'épuvalisation En Belgique A l'étranger 1) Le centre de recherches Epuvaleau 2) Les expériences sur les eaux usées a) SPY . Une goulotte de 100 m, sur 0,80 m de large, construite directement à même le sol avec des matériaux de réemploi et un film plastique, a traité les eaux de la station d'épuration; cela directement après traitement secondaire. En tenant compte de l'évapotranspiration potentielle, avec un débit moyen de 400 l/h, 88% des matières en suspension ont été retenues dans la goulotte, avec élimination de 58% de la DBO5, 63% de la DCO, 27% des phosphates totaux, 57% de l'azote ammoniacal et 55% de l'azote total. L'épuvalisation bactérienne est comprise entre 96,5 et de 100% pour les bactéries totales, les entérobactéries, les coliformes, les coliformes fécaux et les streptocoques fécaux. b) FLEURUS . Il s'agit d'une station d'épuration classique avec traitement primaire, secondaire par lits bactériens et bassin de décantation. Quatre goulottes de 23 m y sont installées depuis 1989 dans un ancien lit de séchage des boues. Ce site sert à tester en vrai grandeur l'alternance des plantes et l'utilité des décanteurs à divers endroits des goulottes (en tête, en pied, à mis-parcours). L'élimination y est en moyenne de 60% des matières en suspension (MES), 40% de la DCO et 14% du PO 4 . Au point de vue bactériologique, les abattements sont de 91% en coliformes totaux, 85% en coliformes fécaux et 80% en streptocoques fécaux. Il est cependant nécessaire de procéder à un dégraissage de l'effluent afin d'éviter un colmatage et de permettre une bonne croissance des plantes. c) CORROY-LE-CHATEAU . La nouvelle station d'épuration de Gembloux, de type "boues activées", a été mise en service en septembre 1992. Y sont installées deux goulottes de 30m, dont l'alimentation est prélevée à la sortie du décanteur secondaire. Ce site a permis l'étude de l'épuration des eaux du point de vue bactériologique en fonction des espèces, des cultivars et de leur âge, de leur développement. La réduction de la DCO et de la DBO 5 y est étudiée également en fonction des mêmes critères. Une goulotte traite ici 65 E.H. Elle a permis les abattements qui ont satisfait aux normes d'eaux de baignade. 3) Traitement sur lisiers bovins et porcins L'unité de traitement est installée à Strée , dans la ferme du Centre Technique Agricole de HUY. Le lisier, après tamisage et méthanisation sur bactéries fixées, est traité tant sous serre qu'à l'extérieur en bonne saison. La DCO de 80.000 à 120.000 au départ, arrive alors aux alentours de 30/40.000, ce qui implique encore malgré tout, une dilution de 15 à 20 fois. Cette dilution est assurée par une arrivée automatique d'eau dans l'installation pour compenser l'évapotranspiration. La nitrification étant nulle à la sortie du méthaniseur, un système d'aération doit être prévu pour diminuer le nombre de bactéries anaérobies au bénéfice des aérobies. Le lisier ainsi traité, par recyclage, doit servir à l'irrigation. On peut compter qu'une goulotte de 10m épure 17 E.H. avec repompage durant 24h. Le traitement se faisant sous abri vitré peut se poursuivre durant toute l'année. Une longueur supplémentaire à l'extérieur permet, du printemps à la fin de l'automne, de mieux traiter l'effluent de départ. 4) Traitement des lixiviats de décharges d'ordures ménagères De nature très complexe, ce type d'effluent est très difficile à épurer. En effet, les lixiviats contiennent quantités d'éléments non ou peu biologiquement dégradables. De plus, les éléments nutritifs indispensables à la bonne croissance des plantes peuvent être rendus indisponibles par complexion avec d'autres éléments présents dans le lixiviat. Toutefois, les résultats obtenus jusqu'à présent sont encourageants et pourraient être améliorés après amélioration du système et un choix de plantes plus adaptées à ce type de liquide Le principe de l'Epuvalisation est appliqué en divers pays méditerranéens grâce à des subventions de l'Union Européenne. 1) En France , à Nyons (Drôme) Une unité pilote a été installée à la sortie de la station d'épuration pour éliminer les bactéries des rejets dans la rivière (l'Eygues) qui sert, un peu plus loin, de lieu de baignade à divers campings. L'expérience y a duré trois ans (projet MEDSPA) C'est ainsi qu'y furent obtenus les abattements suivant, en % : Coliformes totaux : 90,89; Coliformes fécaux : 88,25; Streptocoques fécaux : 85,67; MES : 87; DBO 5 : 83 ; DCO : 77; NKj 47; NH4 : 30; Phosphates : 19 Ces abattements de la population microbienne, fréquemment de plus de 90%, permettent de se rapprocher et quelquefois d'atteindre la qualité requise par les eaux de baignade. En portant la longueur des goulottes de 50 à 100 m, les résultats auraient été tout à fait exemplaires. Il en serait de même pour les abattements chimiques. 2) Au Portugal, Au Maroc et Au Sénégal Grâce à un subside octroyé par la Communauté Européenne, dans le cadre du Programme Sciences et Techniques du vivant pour les pays en Développement (STD3) en collaboration avec l'Institut d'Agronomie et Vétérinaire Hassan II d'Agadir (Maroc) et le Centre pour le Développement de l'Horticulture de l'Institut Sénégalais de Recherches Agricoles (ISRA) à Dakar, le principe de l'Epuvalisation y a été mis en application. Le but était d'élargir les recherches à de nouvelles espèces végétales, d'approfondir pour chacune d'ente elles les connaissances sur leur rendement tant au point de vue de la production -en qualité et en quantité- qu'au niveau de l'épuration et de l'assainissement, de systématiser les résultats afin de déterminer, dans chaque cas, la meilleure combinaison d'espèces végétales à employer, et afin d'étudier les conditions d'utilisation, d'exploitation et de valorisation pour arriver au meilleur résultat technique et économique. Il s'agit d'assainir les eaux usées tout en augmentant la production végétale, directement dans l'installation et indirectement grâce à l'accroissement des possibilités d'irrigation et de production d'humus. Les recherches ont porté simultanément sur le traitement et la valorisation d'eaux résiduelles urbaines et d'effluents d'élevage porcin. En relation avec leur problème spécifique de la salinité de l'eau, les résultats suivants ont été obtenus : diminution de DCO : 80%; DBO 5 ; Azote : 60%. La production élevée en céleris traduit une grande capacité d'adaptation de cette plante au système d'Epuvalisation. Aucun problème sanitaire affectant cette plante n'a été décelé. Son action a été positive tant sur la salinité que sur la charge en matières organiques. Des essais réalisés sur l'élimination des métaux lourds par l'épuvalisation ont permis d'obtenir des résultats suivants : Cadmiun : entre 85,7 et 100% Remarque : Les quantités de métaux lourds éliminées sont en grande partie fixées par les boues. En effet, la proportion de métaux lourds fixés par les plantes reste relativement faible et ne dépasse pas 10%. Les travaux de recherches à Agadir portent sur : Les résultats obtenus sont les suivants : L'Institut Sénégalais de la Recherche Agricoles des Niayes a axé ses activités sur : Les résultats obtenus sont les suivants : Des cinq plantes étudiées (cypérus, céleri, tomate, tabac et cresson), les meilleurs résultats sont observés sur cypérus et céleri. Les résultats sont nettement encourageants, et la combinaison des espèces porte tous les espoirs d'un résultat optimum. |
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