Schéma d'une installation de méthanisation

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Projet ANR-08-ECOT-004 CleanWasT Evaluation des technologies propres et durables de gestions des dchets Tche 1 Objectifs et tendue de lvaluation environnementale des oprations de prtraitement des dchets. Sous-tche 1.2 Les technologies de prtraitement et de valorisation des dchets biodgradables.Organisation responsable : CemagrefAuteurs : La rdaction du document a t coordonne par le Cemagref : Andr LE BOZEC Avec la participation de : Les dfinitions : Cemagref : Andr LE BOZEC Les techniques de traitement mcanique : BRGM : Jacques VILLENEUVE Les techniques de traitement biologique arobie : Cemagref : Andr LE BOZEC Les techniques de traitement biologique anarobie : INERIS : Benoit SCHNURIGER Les techniques dpuration et de valorisation du biogaz : INERIS : Isabelle ZDANEVITCH Les techniques de traitement des missions gazeuses : INERIS Les techniques de valorisation du compost : LCP : Catherine MASSIANI Les extensions fonctionnelles : Cemagref : Lynda Aissani

Date de soumission : Novembre 2011 Document Public

SommaireSommaire ................................................................................................................ 3 Introduction .............................................................................................................. 4 I. Traitement et valorisation des dchets biodgradables : dfinitions..................... 6 I.1. Dfinitions pralables ................................................................................................ 6I.1.1. Dfinitions des technologies ..................................................................................................... 6 I.1.2. dfinitions des matires fertilisantes ......................................................................................... 7

I.2. Lunit de traitement biologique lmentaire (UTBE) .............................................. 8 I.3. Les oprations unitaires de traitement ....................................................................... 9 I.4. Les fonctions des oprations unitaires sur les UTBE .............................................. 10 I.5. Les fonctions et incidences des apports de compost au sol ..................................... 11 II. Prsentation des diffrentes techniques sur les UTB ........................................ 16 II.1. Les Techniques de traitement mcanique.............................................................. 16II.1.1. Rduction granulomtrique ................................................................................................... 16 II.1.2. Oprations de sparation ...................................................................................................... 17

II.2. Les Techniques de traitement biologique .............................................................. 19II.2.1. Les oprations de pr fermentation ...................................................................................... 19 II.2.2. Les oprations de compostage .............................................................................................. 19 II.2.3. Les oprations de digestion anarobie .................................................................................. 21

II.3. Les techniques dpuration du biogaz ................................................................... 26II.3.1. limination de la vapeur deau ............................................................................................. 26 II.3.2. limination de lhydrogne sulfur ....................................................................................... 27 II.3.3. Production de biomthane ..................................................................................................... 29

II.4. Les techniques de valorisation du biogaz .............................................................. 33II.4.1. Valorisation thermique .......................................................................................................... 35 II.4.2. Valorisation lectrique .......................................................................................................... 37 II.4.3. Co-gnration ........................................................................................................................ 41 II.4.4. Valorisation du biomthane................................................................................................... 43

II.5. Les techniques dpuration des missions gazeuses .............................................. 46II.5.1 Gnralits ............................................................................................................................. 46 II.5.2 Les procds biologiques........................................................................................................ 47 II.5.3 Les procds d'absorption ...................................................................................................... 51 II.5.4 Les procds d'oxydation........................................................................................................ 55 II.5.5 Procds d'adsorption ............................................................................................................ 57 II.5.6 Exemples dinstallations ......................................................................................................... 58 II.5.7 Comparaison des diffrentes techniques ................................................................................ 59

II.6. Les techniques de valorisation du compost au sol.................................................. 62II.6.1 Diffrents usages des composts de fermentescibles alimentaires ou de dchets mnagers .... 62 II.6.2. Techniques d'pandage et d'enfouissement des composts ..................................................... 63

III. Les conditions de performances des techniques .............................................. 64 III.1. Les conditions de performances des oprations de traitement mcanique.......... 64 III.2. Les conditions de performances des oprations de traitement biologique ........... 68III.2.1. Les oprations de compostage ............................................................................................ 68 III.2.2. Les oprations de digestion anarobie ................................................................................ 68 III.2.3. Les installations de TMB ..................................................................................................... 71 III.2.4. Les apports de compost de fermentescibles alimentaires et/ou des dchets mnagers au sol72

III.3. Lvaluation environnementale des technologies de traitement biologique ......... 73III.3.1. Unicit de la mthode dvaluation environnementale des technologies ............................. 73 III.3.2. Extension fonctionnelle ........................................................................................................ 74

Rfrences ............................................................................................................ 76

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IntroductionCe rapport prsente les travaux et rflexions mens dans le cadre de la tche 1.2 du projet CLEANWAST : Evaluation des technologies propres et durables de gestion des dchets . Ce projet, dbut en fvrier 2009 est cofinanc par lAgence Nationale de la Recherche, dans le cadre du programme de recherches 2008 Ecotechnologies et Dveloppement Durable (PRECODD). Le principal objectif du projet CLEANWAST est de dvelopper un cadre mthodologique pour lvaluation des performances environnementales des oprations de prtraitement des dchets non dangereux, dans les principaux contextes o ces valuations viennent en appui aux politiques publiques : le soutien linnovation et la planification . Ce rapport intermdiaire constitue un document de capitalisation de linformation, en vue de la parution du rapport 1.3 qui prsentera les rsultats finaux du travail ralis dans le cadre de lensemble de la tche 1 du projet CLEANWAST. Cette tche 1 vise proposer une dfinition des objectifs et de ltendue de lvaluation des technologies de prtraitement des dchets . Lide initiale de ce travail est dobtenir une classification des technologies de prtraitement des dchets en catgories similaires du point de vue de leur valuation environnementale et de leur niveau de dveloppement oprationnel. Il sagit de dfinir diffrentes catgories de technologies dans le prtraitement des dchets de manire simplifier les mthodes dapprciation de leurs performances environnementales. La question de la dfinition de technologie dans le cadre de CleanWasT (prtraitement des dchets) a conduit considrer dune part la classification IPPC qui distingue : - les installations d'limination ou de valorisation des dchets dangereux ralisant des oprations rpertories aux annexes I et II de la directive cadre relative aux dchets1 sous les rubriques R1 (utilisation comme combustible), R5 (recyclage ou rcupration de matires inorganiques), R6 (rgnration d'acides et de bases), R8 (rcupration de produits provenant de catalyseurs) et R9 (rgnration des huiles), la capacit des installations tant suprieure 10 tonnes par jour ; - les installations d'incinration de dchets municipaux d'une capacit suprieure 3 tonnes par heure ; - les installations de traitement de dchets non dangereux ralisant des oprations rpertories sous les rubriques D8 (traitement biologique) et D9 (traitement physico chimique) de l'annexe II de la directive 2008/98/CE pour une capacit suprieure 50 tonnes par jour ; - les dcharges recevant plus de 10 tonnes par jour ou d'une capacit totale de plus de 25 000 tonnes, l'exclusion des dcharges pour les dchets inertes. et dautre part la dfinition de prtraitement qui figure dans les BREFs : - Lobjectif est dadapter les dchets au type de valorisation et/ou dlimination du traitement final disponible. Le prtraitement recouvre plusieurs aspects. Il peut tre dfini comme un ensemble doprations conduisant une homognisation de la composition chimique et/ou des caractristiques physiques des dchets. Le1

directive 2008/98/CE du 19 novembre 2008

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prtraitement produit des dchets, qui peuvent tre trs diffrents des dchets initiaux, mme si ce nest pas le cas dun point de vue rglementaire. Ces dchets prtraits doivent encore tre traits dans une unit de valorisation et/ou dlimination. A la fin du procd de prtraitement, les dchets prtraits doivent satisfaire aux spcifications chimiques et physiques fixes par les utilisateurs finaux. La classification fait apparatre trois types de technologies dans le traitement des ordures mnagres (incinration, dcharge, autres). La dfinition du prtraitement, assez vague, permet dexclure la dcharge mais pas lincinration. Cependant, la technologie de lincinration fait lobjet dun BREF elle toute seule et dispose dune littrature et de bases de donnes abondantes sur ses missions et impacts environnementaux. Dans son rcent rapport (Mars 2010) sur Les filires industrielles stratgiques de lconomie verte , le Commissariat Gnral au Dveloppement Durable fait tat du recyclage et de la valorisation des dchets. Il note en particulier une faiblesse dans la diffusion des technologies de tri et de valorisation des dchets et des opportunits dans le recyclage et la valorisation, la gnralisation des mthodes danalyse de cycle de vie et dco-conception, un fort potentiel de croissance pour les filires DEEE, VHU, papier, et des technologies de valorisation nergtique pour les dchets organiques (notamment la mthanisation). Au final, il fixe que : Lambition de la France pour la filire de gestion et de valorisation des dchets doit tre de : - Faire de lconomie franaise une conomie du recyclage en lien avec lambition europenne ; - Consolider la mise en place dun large ventail de filires de recyclage en dveloppant des filires mergentes et fort potentiel ; - Devenir un acteur industriel comptitif et exportateur sur le march des technologies de tri automatis ; - Gnraliser la valorisation nergtique des dchets sur les gisements dont les technologies ne permettent pas une valorisation plus noble CleanWasT sintressant principalement aux ordures mnagres rsiduelles (OMR), loption choisie pour la catgorisation des technologies est de centrer lanalyse sur les oprations de prtraitement mcano-biologiques. Elles reprsentent un ventail de solutions possibles pour une valorisation matire et nergtique des OMR, et correspondent une demande doptimisation du traitement dune part importante de dchets avant incinration ou stockage.

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I. Traitement et valorisation des dchets biodgradables : dfinitionsLes dchets biodgradables pris en considration sont : - les ordures mnagres rsiduelles, - les dchets alimentaires, - les dchets de jardins privs, - les dchets des parcs et jardins publics, - les dchets de restauration collective, - les dchets de marchs, - les dchets assimils.

I.1. Dfinitions pralablesI.1.1. Dfinitions des technologies Une technologie est dfinit comme un ensemble de mthodes et techniques autour de ralisations industrielles formant un tout cohrent. Selon cette dfinition, lensemble des techniques mises en uvre dans les units de traitement biologique des dchets biodgradables relve des technologies de traitement des dchets biodgradables. Lunit de traitement biologique (UTB) est une installation qui va traiter un ou plusieurs flux de dchets biodgradables laide dune combinaison de procds mcaniques et biologiques. Ces procds seront choisis en fonction du (des) objectif(s) fix(s) lunit de traitement. Ces objectifs peuvent tre la production de biogaz et/ou de compost et/ou la stabilisation des dchets avant mise en centre de stockage. Ces units de traitement biologique relvent de trois types suivants : - Les units de traitement biologique lmentaires mettent en uvre un enchanement dquipements mcaniques et biologiques permettant de traiter un flux de dchets afin de les transformer en diffrents sous-produits (compost, stabilisat, biogaz). Lunit de traitement biologique lmentaire (UTBE) correspond au traitement dun flux de dchets par une chane de traitement selon les 4 techniques de traitement biologique suivantes: La technique de compostage, La technique de mthanisation, La technique de stabilisation arobie, A technique de stabilisation anarobie. - Les units de traitement biologique combines sont constitues dune combinaison dunits de traitement biologique lmentaires relies par des flux de dchets, par des quipements de pr-traitement mcanique et par des btiments communs. Elles constituent les installations communment appeles de traitement mcano-biologique (MBT ou TMB).

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- Le bioracteur correspond un centre de stockage confin des dchets o la dgradation des dchets va tre active par la recirculation des lixiviats afin dacclrer la stabilisation des dchets tout en acclrant la production de biogaz valorisable. Cette technologie du bioracteur fait lobjet dun retour dexpriences trs limit ce jour en France et le plus souvent mise en uvre sur des casiers exprimentaux de site dISDND. Il en rsulte un dficit important de donnes sur les conditions de mise en uvre de cette technologie et sur ses performances techniques et environnementales. Le prtraitement en amont de la mise en casiers est trs limit. Le bon fonctionnement du bioracteur suppose la prsence de matire organique dans les dchets enfouis, ce qui apparat en contradiction avec les objectifs affichs de la directive europenne sur les dcharges. Pour toutes ces raisons nous ne retenons pas cette technologie dans le cadre de ltude CLEANWAST. Le sol est le produit de l'altration, du remaniement et de l'organisation des couches suprieures de la crote terrestre sous l'action de la vie, de l'atmosphre et des changes d'nergie qui s'y manifestent. C'est un mlange complexe de matires minrales, de matires organiques (vivantes ou mortes), d'eau et d'air. Il assure des fonctions cruciales dans les cosystmes terrestres. Dans la Norme ISO 11074 les diffrentes fonctions du sol sont dfinies comme suit : "contrle du cycle des lments et de l'nergie en tant que compartiment des cosystmes; support des plantes, des animaux et de l'homme; base des constructions et des immeubles; production agricole, rtention de l'eau et des dpts; constitution d'une rserve gntique; conservation en tant que mmoire de l'histoire et de la nature; protection en tant qu'archives archologiques et palocologiques. Dans la proposition de directive du Parlement Europen et du Conseil (COM(2006)0232) dfinissant un cadre pour la protection des sols et modifiant la directive 2004/35/CE, on retrouve une dfinition analogue du sol : "Ces fonctions sont la production de biomasse, le stockage, le filtrage et la transformation des lments nutritifs et de l'eau, et lhbergement du vivier de la biodiversit; le sol joue aussi un rle de plateforme pour la plupart des activits humaines; il fournit des matires premires, tient lieu de rservoir de carbone et sert la conservation du patrimoine gologique et architectural". La notion de rservoir de carbone apparat clairement dans cette description du sol qui ds lors apparait comme un complment aux technologies de valorisation des dchets organiques. I.1.2. dfinitions des matires fertilisantes - Matires fertilisantes (AFNOR NFU 44-051 - avril 2006) Engrais, amendements et, dune manire gnrale, tous les produits dont lemploi est destin assurer ou amliorer la nutrition des vgtaux, ainsi que les proprits physiques, chimiques et biologiques des sols. - Amendements organiques (AFNOR NFU 44-051 - avril 2006) Matires fertilisantes composes principalement de combinaisons carbones dorigine vgtale, ou animale et vgtale en mlange, destines lentretien ou la reconstitution du stock de matire organique du sol et lamlioration de ses proprits physiques et/ou chimiques et/ou biologiques - Engrais (AFNOR NFU 44-051 - avril 2006) Matires fertilisantes dont la fonction principale est d'apporter aux plantes des lments directement utiles leur nutrition (lments fertilisants majeurs, secondaires et oligolments).

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- Compost de fermentescibles alimentaires et/ou mnagers (AFNOR NFU 44-051 avril 2006) "Compost obtenu partir de la fraction fermentescible des dchets mnagers et assimils et/ou des dchets alimentaires, collecte slectivement ou obtenue par tri mcanique, brute ou aprs pr-traitement anarobie, et ayant subi un procd de compostage caractris ou de lombri-compostage, avec ou sans les autres matires rpondant aux dnominations de la prsente norme". La teneur en Matire Organique (MO) doit tre suprieure ou gale 20 % de la matire brute.

I.2. Lunit de traitement biologique lmentaire (UTBE)Les units de traitement biologique lmentaires permettent laide de procds de fermentation arobie ou anarobie de valoriser diffrents flux de dchets biodgradables sous forme de compost et/ou biogaz. Lorganisation de la chane de traitement des units de traitement biologique lmentaire est reprsente par le schma de la Figure 1 ci-dessous.

Figure 1 : Chane de traitement dune UTBE

Ltape de rception des dchets se fait sur une aire btonne ou en fosse. Ltape de prparation/pr-traitement. On parle de prparation dans le cas de dchets homognes tels que les biodchets mnagers, les dchets verts, et cette tape est alors assez simple (mlange avec humidification, broyage des dchets verts,). Par contre, dans le cas de flux de dchets en mlange (OMR), on parle plus de pr-traitement par sparation et cette tape est un peu plus dveloppe (trommel, crible, tapis slectionneur,) afin de sparer certaines fractions de dchets non biodgradables ou recyclables.

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Ltape de fermentation est constitue par un procd de traitement biologique arobie ou anarobie de transformation de la matire organique pour produire du compost et/ou du biogaz. Ltape daffinage a pour objectif de sparer les dernires impurets de la matire organique qui constitue, aprs ltape de maturation, le compost. Comme pour ltape de prparation/pr-traitement, limportance de cette tape dpend de la nature des dchets traits. Cette tape peut aussi avoir lieu aprs la maturation ou mme avoir lieu avant et aprs la maturation. Ltape de maturation est constitue par un procd de fermentation arobie (soufflage ou insufflation dair, retournements) pour assurer lhumification de la matire organique.

I.3. Les oprations unitaires de traitementChacune des tapes de lUTBE est constitue dun ensemble dquipements qui sert la ralisation dune fonction prcise comme la fermentation, le pr-traitement, laffinage ou la maturation. Cet ensemble dquipements au service dune fonction est dfinit comme une opration unitaire . Ds lors, lunit de traitement biologique est ainsi constitue par un enchanement doprations unitaires mettant en uvre des techniques de traitement mcanique et des techniques de traitement biologique. Les techniques de traitement mcanique rencontres sur les units de traitement sont : - les oprations unitaires de rduction granulomtrique visent rduire les dimensions des dchets en vue de leur traitement. Les quipements sont les broyeurs, les dchiqueteurs, - les oprations unitaires de sparation : de flux qui mettent en uvre des trommels, les cribles, afin de sparer les flux et les diriger vers les techniques les plus appropries, dindsirables soit pour amliorer lefficacit dquipements situs en aval, soit pour amliorer la qualit dun produit final. Les quipements sont nombreux, crible, trommel, table densimtrique, tapis slectionneur, tapis balistique, dextraction des matriaux valorisables pour permettre leur valorisation. Les quipements sont des cribles, trommels, dispositifs daspiration, dispositifs djection par air ou de reconnaissance par infrarouge. Les techniques de traitement biologique mettent en uvre la fermentation des dchets selon deux process de dgradation de la matire organique, lun arobie et lautre anarobie, qui amne distinguer les procds de traitement biologique : - soit arobies : le compostage et la stabilisation arobie, - soit anarobies : la mthanisation ou digestion anarobie, la stabilisation anarobie. Selon cette distinction, les diffrentes techniques de traitement biologique sont rattaches lune ou lautre de ces procds selon la typologie de la Figure 2. De plus les installations disposent de techniques de valorisation du biogaz, de traitement des missions gazeuses.

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Les techniques dpuration et de valorisation du biogaz pour la production deau chaude, dlectricit ou de cognration (vapeur et lectricit) ou de carburant. Les techniques de valorisation du compost au sol ou de stockage du stabilisat. Les techniques de traitement des missions gazeuses avant rejet latmosphre qui consistent un lavage des gaz suivi par un passage au travers dun biofiltre.

Figure 2 : Typologie des techniques de traitement biologique

I.4. Les fonctions des oprations unitaires sur les UTBELes oprations unitaires sont mises en uvre sur les units de traitement biologique afin de rpondre aux grandes catgories de fonctions suivantes : fonction valorisation matire par la production de matriau recyclable, compost, de digestat, de

fonction valorisation nergtique par production de biogaz ou de combustible solide (RDF, CSR), fonction stabilisation de la matire organique afin de rduire la quantit mise en dcharge et rduire le potentiel polluant du site de stockage, fonction protection de lenvironnement en traitant les diffrents rejets liquides et gazeux de linstallation.

Ds lors, le croisement des techniques de traitement mcanique et biologique identifies cidessus avec ces fonctions permet dlaborer la matrice de la Figure 3 qui prsente la liaison entre les diffrentes oprations unitaires rencontres sur les units de traitement biologique et leurs fonctions. Cette matrice servira dans la suite du projet dcrire les installations de traitement retenues dans la tche 3.

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Fonctions Oprations unitaires Traitement mcanique Sparation flux Rduction granulomtrique Sparation dindsirables (-) Extraction de matriaux (+) Traitement biologique Pr fermentation arobie Fermentation arobie Digestion anarobie Stabilisation arobie Stabilisation anarobie Traitementpuration Valorisation biogaz Stockage (CSD, Sol) Lgende :

Valorisation matire Matriaux recyclables Compost Digestat

Valorisation nergtique Stabilisation Combustible Biogaz

Protection environnement Air Eau Sol

Recyclage Prparation Combustible Compostage Digestion anarobie Stabilisation

Figure 3 : Matrice de liaison des oprations unitaires et de leurs fonctions

I.5. Les fonctions et incidences des apports de compost au solLe sol est essentiellement une ressource non renouvelable en ce sens que les vitesses de dgradation peuvent tre rapides alors que les processus de formation et de rgnration sont extrmement lents. De nombreuses tudes mettent en vidence une dgradation des sols au cours des dernires dcennies par perte de matires organiques et lrosion. L'Agence Europenne pour l'Environnement estime qu'en Europe, 114,1 millions d'hectares sont touchs, des degrs divers, par l'rosion, principalement hydrique (European Environment Agency, 2003). Quelques 45 % de l'ensemble des sols d'Europe ont une teneur faible, voire trs faible, en matires organiques (0 2 % de carbone organique), et 45 % ont une teneur moyenne (2 6 % de carbone organique). La dgradation des sols a des incidences considrables sur d'autres domaines tels que la qualit des eaux superficielles ou souterraines, la biodiversit, les changements climatiques. Dans un contexte d'utilisation durable des sols, des apports raisonns de compost de qualit prsentent un intrt pour la prservation de la quantit et de la qualit des sols.

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Le compost de densit apparente et de capacit de rtention en eau respectivement plus faible et suprieure celles du sol, est une source de matires organiques constitues pour partie de composs analogues aux substances humiques. La fonction premire du compost est d'apporter des matires organiques avec, de par leurs proprits, des fonctions drives multiples. La variabilit du sol est trs importante. Les diffrences structurales, physiques, chimiques et biologiques sont importantes, non seulement entre les sols, mais galement au sein des diffrents profils de sol. Par consquent, les fonctions, pressions et incidences d'apports de compost doivent tre analyses plusieurs chelles d'espace et de temps. L'analyse de la littrature scientifique sur le sujet permet de dgager des tendances et lacunes dans la connaissance des processus mis en jeu (Hargreaves et al., 2008). Sont reprsentes schmatiquement, Figure 4, les fonctions et avantages d'amendements par le compost et Figure 5 les pressions et incidences. Stabilit structurale et rosion Il est reconnu qu'en induisant une augmentation de la stabilit des agrgats par la formation de ponts cationiques, les apports de matires organiques compostes conduisent des modifications des proprits physiques des sols, en particulier une augmentation de la stabilit structurale dont l'une des consquences est de limiter l'rosion. Fertilit des sols Les modifications des proprits physiques et chimiques des sols contribuent une augmentation de leur fertilit. La diminution de la densit apparente et l'augmentation de la capacit de rtention en eau favorisent respectivement l'aration du sol et la biodisponibilit de l'eau. Les matires organiques du compost jouent un rle de tampon vis--vis du pH, apportent des macro et micro nutriments et augmentent les sites d'adsorption et de complexation. Cette capacit fixer des espces ioniques et molculaires peut, entre autre, modifier la mobilit des lments minraux et favoriser la nutrition minrale. Le cycle de l'eau A une chelle globale, une augmentation de la capacit de rtention en eau des sols a une incidence sur le cycle de l'eau. Proprits microbiologiques Les apports, par le compost, de matires organiques directement biodgradables ou hydrolysables, favorisent un accroissement de l'activit microbiologique et enzymatique. Ils ne semblent pas affecter, court terme, la structure des communauts bactriennes dtermine par des techniques molculaires (Creccchio et al., 2004). Les pressions Les principales pressions sont lies aux cycles biogochimiques des nutriments et micronutriments, la salinit, aux apports d'Elments en Traces Mtalliques ou mtallodes (ETM), d'Elments en Traces Organiques (ETO) et d'organismes pathognes. L'ambivalence des apports de composts L'apport de nutriments et micronutriments agit favorablement sur la fertilit des sols, cependant l'activit biologique conduit une minralisation en particulier de l'azote et du phosphore. Ces formes minrales solubles, si elles ne sont pas utilises pour la nutrition vgtale, peuvent tre exportes vers les eaux de surface et les eaux souterraines.

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L'augmentation du nombre de sites s'adsorption et de complexation par apport de matires organiques contribue limiter la mobilit et biodisponibilit des ETM, cependant, l'apport de matires organiques solubles (compost peu humifi) pourrait, par complexation des ETM, contribuer un transfert de ces derniers l'eau du sol et leur transport par la phase aqueuse vers les horizons profonds et les eaux souterraines. Ce dernier point est moins tudi, en particulier in situ, que l'accumulation des ETM dans les sols et leurs transferts aux vgtaux. La stimulation de l'activit biologique peut contribuer la biodgradation des ETO. A contrario, un accroissement du nombre de sites de fixation favorise leur adsorption, ce qui tend les protger de l'activit biologique et, par consquent, augmenter leur dure de vie dans les sols. Les sources et consquences des apports d'ETO sont moins documentes que celles relatives aux ETM. Les incidences des modifications des proprits des sols sur les changements climatiques peuvent tre contradictoires : missions de gaz effet de serre (CO2, CH4, oxydes d'azote) d'une part, squestration du carbone d'autre part. Le potentiel de squestration du carbone par les sols est limit quantitativement. Les vitesses de dgradations des matires organiques stabilises, telles les substances humiques, sont difficiles estimer. Le retour au sol de matires carbones peut tre considr comme une stratgie court et moyen terme (Lal, 2004). La contribution des apports de compost aux missions de gaz effet de serre et la squestration de carbone par le sol ncessite d'tre encore tudie.

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Amendement organique Maintien ou accroissement de la MOStabilit des agrgats Augmente la stabilit structurale Diminution de la densit apparente Favorise laration Augmentation de la capacit de rtention en eau pH, pouvoir tampon Augmentation de la CEC Augmentation des sites de sorption Fertilisation N, P, Ca, K Apports de micronutriments Favorise lactivit biologique Biodiversit Changements climatiques Stockage C ? Qualit abiotique du sol fertilit Cycle de leau Limite l'rosion Limite la compaction Quantit de sol

Figure 4 : fonctions des apports de compost au sol

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Sant humaine

Amendement organiqueAccumulation dans les organismes Matires organiques biodgradables Pollution des sols et dgradation de la qualit des sols

Apports en lment Azote non matriss Pollution des eaux Apports en lment Phosphore non matriss Ecotoxicit et impacts sur le biodiversit

Salinit Apports en Elments Traces Mtalliques ou mtallodes Apports en Elments Traces Organiques

Emissions de gaz effet de serre Changements climatiques Erosion

Figure 5 : Apports de compost au sol, pressions et incidences

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II. Prsentation des diffrentes techniques sur les UTBII.1. Les Techniques de traitement mcaniqueLe traitement mcanique est compos doprations unitaires de deux types : - oprations de rduction granulomtrique - oprations de sparation. Les dchets sont composs de particules htrognes, tant dans leur composition (catgories MODECOM, chimie, mlange de constituants) que dans leurs caractristiques physiques (taille, forme, masse, susceptibilit magntique, PCI, densit,). Le rle des oprations de traitement mcanique est de prparer des lots de matire plus homognes vis--vis dune ou plusieurs caractristiques des particules afin dalimenter des traitements postrieurs et de mieux exploiter les proprits des particules. II.1.1. Rduction granulomtrique Les oprations unitaires de rduction granulomtrique visent rduire les dimensions des dchets. On caractrise la dimension des dchets au moyen de la distribution en taille des particules. La Figure 6 donne un exemple de distribution granulomtrique en passants cumuls. Sur la courbe Entrant , on lit que 60% des particules passent 100 mm(sont plus petites). La courbe Sortant reprsente un flux o les particules sont plus fines que dans le flux "Entrant , suite une opration de broyage. On mesure lintensit de la rduction granulomtrique par lvolution dune taille caractristique, par exemple la taille laquelle 80% des particules passent, not d80 sur la figure. Ainsi, la rduction granulomtrique permet de rduire le d80 de 210 mm 45 mm. On parle de rapport de rduction de 4.7, qui est une mesure de la performance de lopration unitaire de broyage.100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 1 10 Taille (mm) 100 Entrant Sortant

%passants

d80

1000

Figure 6 : exemple de courbes granulomtriques

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Le broyage a t utilis dans le pass pour constituer des andains directement partir dordures mnagres (OM), la prsence de grosses particules tant susceptible de ralentir leur dgradation. Cette approche est aujourdhui abandonne. Les principales utilisations de la rduction granulomtrique sont aujourdhui la prparation des dchets verts (bois) comme structurant dans des oprations de compostage et la broyage de produits en fin de vie (pneus, DEEE, VHU,). Les quipements sont les broyeurs, les dchiqueteurs, les motteurs, les coupeuses et trancheuses, et de manire plus anecdotique les trommels concasseurs. Une description plus prcise de ces appareils peut tre trouve dans les Techniques de lingnieur, Chapitre Fragmentation, J 3 051 . De manire gnrale, ces appareils sont lourds, de sorte que leur fabrication et leur installation sont consommatrices de ressources (mtaux, ciment). Leur utilisation demande de lnergie en quantit lie au rapport de rduction attendu (0.1 50 kWh/t pour une dchiqueteuse) et consomme des pices dusure (blindages, marteaux, couteaux,..). Cas particulier : la dgradation de la matire organique saccompagne aussi dune rduction de la taille des particules qui la composent. Cette rduction est favorise par des oprations mcaniques de mlangeage ou de retournement. II.1.2. Oprations de sparation Les oprations de sparation exploitent les diffrentiels de proprits physiques des particules : taille, densit, adhrence,.Dans le lot de particules, ces proprits peuvent tre distribues de manire assez continue (cas de la taille), de manire plus discriminante (cas de la densit : certaines particules comme les organiques sont lgres , certaines comme les mtaux sont lourdes , et certaines peuvent avoir une densit intermdiaire suivant leur composition, comme par exemple des pices composites mtaux/plastique) ou absolument binaire (cas de la susceptibilit magntique). On caractrise une opration de sparation par un partage qui reprsente la fraction de particules de lentrant rcupre dans un des flux sortants, suivant la proprit considre. Sur la Figure 7, la courbe de partage granulomtrique reprsente la fraction des particules de taille x rcupre dans le flux gros . 100% des particules de taille 0.9 et 1 sont rcupres dans les gros. Les petites particules (de taille 0 0.2) sont rcupres dans les gros en faible proportion (environ 10% des particules entrantes) en gnral par entranement. On caractrise la performance du partage par 3 lments : - la taille laquelle on rcupre 50% des particules (taille de coupure) - limperfection du partage (dans un partage parfait, on aurait 0% de rcupration en dessous de la taille de coupure et 100% au dessus) - le soutirage (entranement des fines avec les gros). Dans le cas de la sparation magntique, on rcupre dans le flux ferreux environ 95% des particules de fer, et 0% des autres. Cest un cas de partage presque parfait, qui tient au fait que la proprit est distribue au dpart en tout ou rien . Les quipements sont les trommels, les cribles, les tables densimtriques, les tapis slectionneurs, les tapis balistiques, des dispositifs daspiration, de reconnaissance par infrarouge et jection par air, des poulies magntiques, des dispositifs courant de Foucault,(Voir dtails dans Rflexions et pistes sur le traitement mcano-biologique , CNR, 2011)

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100% 90% 80% 70%% dans un flux

60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0 0.2 0.4Proprit Partage granulomtrique Partage magntique

0.6

0.8

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Figure 7 : exemples de courbes de partage (la proprit, normalise la plus grande valeur, est la taille dans le cas du partage granulomtrique et la susceptibilit magntique dans le cas du partage magntique)

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II.2. Les Techniques de traitement biologiqueII.2.1. Les oprations de pr fermentation La pr fermentation en cylindre rotatif ou tambour tournant. Cette opration consiste traiter les dchets dans un cylindre rotatif. Les dchets sont introduits directement dans le cylindre sans pr-traitement pralable. Ce bioracteur, dune longueur et dun diamtre adapts au tonnage traiter, permet dune part un traitement physique (trituration des dchets) grce la rotation permanente du cylindre et aux dents places sur la paroi interne, et dautre part, un traitement biologique (fermentation de la matire organique). Il permet en outre de bien homogniser les dchets entrants et de lancer la fermentation. Les dchets sont en gnral ars de manire passive, mais certains systmes utilisent galement une aration force. Ce procd fonctionne de faon continue, les dchets tant traits pendant 2 4 jours dans le cylindre. Compte tenu de cette courte dure de sjour des dchets au sein du cylindre, cette technique ne permet pas une fermentation complte des matires composter. Cette tape permet une diminution de la granulomtrie des dchets organiques et facilite les tapes de tri suivantes. Elle est donc souvent utilis en tte de lunit de compostage ou de mthanisation des dchets mnagers pour amorcer la fermentation qui sera conduite par ailleurs aprs tri des indsirables. II.2.2. Les oprations de compostage Le traitement par compostage est un procd de dcomposition biologique dit arobie qui se droule en prsence d'oxygne (d'air). Le compostage vise produire un rsidu organique stabilis riche en composs humiques, le compost. Il s'accompagne d'un dgagement de gaz carbonique et de chaleur. Le compostage doit rpondre des objectifs de production d'amendement organique ou de support de culture de qualit en adquation avec la rglementation et les besoins des utilisateurs. Lhumification de la matire organique a lieu en trois phases : Phase msophile. Cest ltape de dcomposition durant laquelle les sucres et autres hydrates de carbone sont rapidement mtaboliss. Elle est exothermique et la temprature monte 40C. Phase thermophile. Durant cette tape la temprature monte 50 75C et saccompagne de la dcomposition de la cellulose et des autres substances rsistantes. Il est important de mlanger et darer soigneusement les dchets. Phase de maturation. La temprature dcrot durant cette phase et les organismes msophiles, notamment les champignons, colonisent le compost.

Deux grandes familles de procds de compostage sont classiquement distingues : les procds ouvert traditionnels et rustiques de compostage en andains et les procds ferms plus modernes et plus automatiss de compostage In-Vessel . a. Les procds de compostage en andains

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Les procds de compostage en andains sont des procds traditionnels dans le sens o ce sont les premiers procds avoir t utiliss pour composter les dchets. On peut aussi les qualifier de rustique car ils ne sont pas constitus en gnral dquipements automatiss. Il sagit aussi de procds de type ouverts car ils sont le plus souvent utiliss lair libre. Le principe gnral de ces procds est de dposer les dchets en tas triangulaires allongs, appels andains, sur une plate-forme amnage. Il existe alors plusieurs procds qui se diffrencient par le mode daration de ces andains : Le compostage en andains avec retournement : Il sagit du procd classique o lon retourne les andains rgulirement afin dacclrer la dcomposition des dchets par laration. Le retournement se fait en gnral manuellement laide de chargeurs ou de retourneurs frontaux, latraux ou enjambeurs. Un retournement hebdomadaire des andains est alors ralis les six premires semaines, puis un retournement la huitime et la dixime semaine. Par ailleurs et pour le maintien de lactivit biologique, un arrosage hebdomadaire est ralis les trois premires semaines afin de maintenir un taux dhumidit du compost suprieur 50 %. Le compostage dure de 10 16 semaines selon la nature des intrants. Le compostage en andains statiques avec aration force : Ce procd est un peu plus sophistiqu dans le sens o il fait intervenir un rseau de gaines et de ventilateurs pour la distribution dair sous les andains. Ce procd est adapt aux dchets prsentant un fort taux dhumidit comme les boues ou les dchets de cuisine. De plus, il permet un meilleur contrle des missions gazeuses par aspiration et passage au travers dun biofiltre. Le compostage en andains avec aration force et retournement : Ce procd associe une aration force des andains des retournements rguliers permettant dhomogniser la masse des dchets en fermentation, do une dcomposition plus rapide et complte des dchets. Le temps de traitement des dchets pour ces procds est de lordre de 4 8 semaines. b. Les procds de compostage In-Vessel Les procds de compostage In-Vessel sont des procds beaucoup plus modernes de type ferm , ce qui signifie que les changes avec lextrieur sont limits au minimum. Il sagit de procds automatiss qui vont optimiser le processus biologique de dgradation de la matire organique grce un contrle des changes dair, de la temprature et de la teneur en eau. Les objectifs principaux de ce type de procds sont dacclrer le temps de traitement (de 2 jours 5 semaines), de contrler le droulement du compostage et de limiter au maximum les impacts de la dgradation biologique sur lenvironnement extrieur (odeurs,). Le compostage en hall ferm : Ces procds consistent traiter les dchets dans de grand btiment ferm o laration est force laide de systmes utilisant en gnral une pression ngative (aspiration) afin dviter les fuites de mauvaises odeurs et amliorer les conditions de travail lintrieur du btiment. Les dchets sont soit taler directement sur le sol, soit placer dans des silos-couloirs, soir dans des casiers ou alvoles. Le retournement des dchets peut tre automatis (tambours rotatifs avec dents, vis foreuses, convoyeurs verticaux, roues pelleteuses) ou manuels (chargeurs,). Ce type de procd traite le flux de dchets de manire continue par dplacement dans le sens de la longueur du hall lors des retournements ou par changement de compartiment (ce qui assure en mme temps le retournement). La dure de traitement varie de 3 5 semaines. Ce procd est adapt au traitement de grandes quantits de dchets.

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Le compostage en tunnels : Il sagit de traiter les dchets dans de grandes structures rectangulaires fixes en bton et fermes au moyen dune porte tanche. Ces tunnels sont aligns dans des btiments o laration est contrle. A lintrieur des tunnels, le processus de traitement biologique est entirement automatis grce des systmes daration (soufflage travers des planchers lamelles, aspiration), et de recueil du lixiviat. Le chargement et le dchargement peut se faire de faon automatise (convoyeurs, tapis, machine dextraction) ou manuelle (chargeur frontal). Ce type de procd fonctionne typiquement de faon discontinue avec un chargement trait pendant une dure prcise dans chaque tunnel. La dure de traitement varie l aussi de 3 5 semaines. Le compostage en conteneurs ferms : Les conteneurs sont des quipements mobiles, compacts et construits de faon modulaire. Leur fonctionnement est discontinu. Un systme daration permet laration et la recirculation dair.

II.2.3. Les oprations de digestion anarobie La mthanisation, appele aussi digestion anarobie, consiste en la dcomposition en milieu humide des matires organiques en l'absence d'oxygne. Ces procds conduisent la production d'une part de biogaz, mlange principalement constitu de mthane et de dioxyde de carbone, et d'autre part d'un rsidu appel digestat. Le contenu nergtique du biogaz peut tre valoris en produisant de la chaleur, de l'lectricit ou du carburant. Le digestat doit subir un traitement complmentaire avant de pouvoir tre utilis sous forme de compost. Au sein des diffrentes filires de traitement des dchets, la mthanisation permet de valoriser une part des flux de dchets (nergie et amendement agricole) tout en permettant d'atteindre les objectifs de la directive europenne dcharge2 de rduction des quantits de matire organique enfouie. Le mcanisme de la digestion anarobie peut tre dcompos en 4 phases principales (voir Figure 8) : Phase dhydrolyse qui permet la solubilisation des molcules organique de haut poids molculaire, cette tape est lente et peut tre limitante, Phase dacidognse, au cours de laquelle les monomres issus de l'tape prcdente sont transforms en acide gras volatils (AGV), alcool, acides organique, hydrogne et dioxyde de carbone, Phase dactognse transforme des molcules issues de l'tape prcdente en prcurseurs du mthane : actates, hydrogne et dioxyde de carbone, Phase de mthanognse correspond la formation du mthane soit partir d'hydrogne et dioxyde de carbone ou des actates. D'autres ractions minoritaires mettant en jeux des htroatomes (S, N ...) peuvent avoir lieu et tre l'origine de molcules indsirable dont il faudra tenir compte, par exemple, pour la valorisation du biogaz.

Directive 1999/31/CE du Conseil, du 26 avril 1999, concernant la mise en dcharge des dchets. La stratgie dcrite l'article 5 prvoit que les quantits dchets municipaux biodgradable admis en dcharge en 2016 correspondent 35 % des quantits admises en 1995.

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Figure 8 : flux mtabolique de la digestion anarobie (Moletta, 2003)

Caractristiques des dchets admissibles en mthanisation La digestion anarobie permet de dgrader la matire organique prsente dans les dchets condition que celle-ci soit dgradable et accessible aux microorganismes (ie minima facilement hydrolysable) et qu'il n'y ait pas de substance toxique dans le flux alimentant le racteur. Diffrents flux de dchets d'origines urbaines, industrielles ou agricole rpondent ces critres. Le cadre de l'tude ne prend pas en compte les traitements ddis aux boues de STEP, aux dchets agricoles et des industries agroalimentaires. Dans le cadre du traitement des dchets municipaux, les flux suivant correspondent bien aux critres dcrits ci-dessus : les ordures mnagres brutes qui devront tre obligatoirement tries avant d'envisager leur mthanisation ; les ordures mnagres rsiduelles (dchets mnagers diminus des collectes slectives de recyclables, qui de mme devront tre obligatoirement tries ; les biodchets (rsidus de cuisine, dchets verts) collects slectivement (mnages, restauration, marchs, ) ; les graisses et dchets de lindustrie agro-alimentaire (boulangerie, dchets animaux et carcasses broyes- si conformes au rglement sanitaire) ; les eaux ncessaires pour le process (hydrolyse des dchets) dont une partie est recycle au niveau du racteur de mthanisation. Paramtres clefs et choix technologiques Il existe de nombreuses possibilits de mise en uvre des traitements par digestion anarobie. Il est cependant possible d'identifier quelques paramtres clefs qui peuvent permettre d'identifier des familles gnriques de technologies de traitement :

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1. la teneur en matire sche des dchets traiter. La limite entre les procds humides et secs se situe autour de 20 % de matire sche. Il peut tre ncessaire d'ajuster la quantit d'eau dans les dchets traiter et d'assurer l'homognisation (apport d'eau et d'nergie) ; 2. l'alimentation du digesteur en continu ou par lot ; 3. une approche en une ou deux tapes, la premire tape permet de raliser les phases d'hydrolyse et d'acidognse, la seconde tape, permet de raliser les phases d'actognse et de mthanognse ; 4. le mode d'agitation et de transport de la matire dans le racteur : soit il y a un mlange intime assur mcaniquement par des pales ou la recirculation du biogaz ou du digestat ; soit un coulement piston assur mcaniquement (piston, hlices, ) ou par la recirculation du digestat ; 5. la temprature de digestion qui permettra le dveloppement d'espces msophiles (entre 30 et 40C) ou thermophiles (entre 50 et 60 C). Une digestion thermophile favorise l'hyginisation du digestat mais elle peut ncessiter de chauffer le mthaniseur (apport d'nergie). Diffrentes technologies peuvent tre distingues en fonction des choix faits pour ces paramtres, elles sont prsentes dans la Figure 9.

Figure 9 : technologies de mise en uvre pour la digestion anarobie

Sur le schma de principe d'une installation de mthanisation, tel qu'il est prsent la Figure 10 les flux arrivant et issus du digesteur sont identifiables : les dchets prpars/tris ; les eaux de process dont une partie provient de la dshydratation du digestat ; le digestat ; le biogaz. les biodchets (rsidus de cuisine, dchets verts) collects slectivement (mnages, restauration, marchs, ) ;

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Figure 10 : schma de principe d'une installation de mthanisation

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a) Mthanisation une tape, voie sche en continu Le racteur est aliment en continu en dchets prpars (aprs extraction des matires inertes vis--vis des ractions de mthanisation). Il y a diffrentes possibilit de conduite des ractions : racteur parfaitement agit ou coulement piston. Exemple de procd : Valorga (Varennes-Jarcy).

b) Mthanisation une tape, voie sche en lot Dans ces procds, un lot de dchets est inocul avec du digestat provenant d'un autre digesteur. Afin de conserver un niveau de teneur en eau suffisant au bon droulement de la mthanisation, les lixiviats sont rcuprs en pied de racteur pour tre rinjects en haut de celui-ci. La recirculation des lixiviats permet d'homogniser les bactries dans el massif de dchets. Exemple de procd : ARCADIS "Biocell" c) Mthanisation une tape, voie humide Ce procd ncessite la transformation des dchets en boue/suspension pour alimenter le racteur. Ce procd peut tre utilis pour la digestion de dchets municipaux mais il est plus adapt au traitement de dchets plus faible teneur en matires sches tels que les lisiers, fumiers ou certains dchets industriels organiques. Exemple de procd : Linde BRV d) Mthanisation en deux tapes Dans une approche en deux tapes les phases d'hydrolyse et d'acidognse, d'une part, et les phases d'actognse et de mthanognse, d'autre part, sont ralises sparment. Le principal avantage des systmes en deux tapes est une meilleure stabilit. Cette approche permet donc le traitement de gisements prsentant uen grande variabilit. Deux stratgies de mise en uvre sont possibles : hydrolyse et acidognse de la charge dans un premier racteur et transfert dans un second racteur pour la mthanisation. La premire tape peut fonctionner en arobie ce qui peut entrainer une perte de matire organique mais permet d'acclerer l'acidognse. hydrolyse et acidognse de la charge dans un premier racteur et transfert de la phase liquide vers le second racteur. Lors de la premire tape, la formation d'acides gras volatiles est favorise. Ces procds peuvent tre appliqus au traitement de dchets municipaux ou de dchets organiques faible teneur en matires sches provenant des industries agroalimentaires. Exemple de procd : Linde (Barcelone : 4 lignes pour un total de 100 000 t/an).

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II.3. Les techniques dpuration du biogazLpuration du biogaz rpond trois objectifs : - rpondre la qualit requise par les systmes de valorisation (moteurs gaz, brleurs, turbines gaz, piles combustible, vhicules), - augmenter le pouvoir calorifique du gaz, - normaliser la qualit du gaz. En fonction de lutilisation prvue du gaz, les traitements se rpartissent selon trois objectifs principaux : llimination de leau (et des particules) ncessaire pour toutes les voies de valorisation, llimination de lhydrogne sulfur (et des siloxanes) pour la valorisation en moteurs, lenrichissement en biomthane (gaz contenant plus de 95 % v/v de mthane et proche du gaz naturel) pour lutilisation en carburant ou pour linjection en rseau de gaz naturel. Seuls les grands principes sont dcrits dans ce chapitre. Des dtails sur les technologies, ainsi que des paramtres de fonctionnement et des lments de cots (investissements et fonctionnement) sont donns dans le rapport mis par lAFSSET3 en 2008 et dans une tude publie par RECORD4. II.3.1. limination de la vapeur deau Le biogaz contient de leau des teneurs variables en fonction de la temprature. A 35C, le biogaz contient 5% deau. Afin de retirer leau du biogaz, diffrentes mthodes sont proposes bases sur la condensation de leau ou le schage du gaz. En plus de leau, dautres impurets comme les particules, la mousse ou une partie de lH2S sont aussi limines. Ces types de traitement peuvent sappliquer diffrents stades de lenrichissement du biogaz selon le type de procd de valorisation : la technique du lavage leau ne ncessite aucun schage avant lenrichissement, en revanche la technique dadsorption ncessite le schage du biogaz avant ltape denrichissement. En rgle gnrale, leau est normalement condense avant que le gaz ne subisse une compression. Elimination de leau par condensation Cest une mthode trs employe. Elle fait appel la condensation le long des conduites qui prsentent une faible pente. Des pots condensats (sparateurs diphasiques) doivent tre placs chaque point bas. Lentretien des canalisations et des sparateurs doit tre ralis rgulirement. Des mthodes plus sophistiques font appel : lutilisation dantibue (demister) constitu dun treillis mtallique avec des micropores; lutilisation d'un sparateur cyclonique utilisant une force de centrifugation quivalente plusieurs centaines G; lutilisation de collecteurs d'humidit dans lesquels la condensation de l'eau se fait par expansion du gaz.

AFSSET (2008) : valuation des risques sanitaires lis linjection de biogaz dans le rseau de gaz naturel ; avis, rapport dexpertise 4 RECORD (2009) : Techniques de production d'lectricit partir de biogaz et de gaz de synthse , C. Couturier (Solagro), janvier 2009, 253 p, n07-0226/1A.

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Elimination de leau par schage Cette mthode est base sur le schage du biogaz englobant plusieurs techniques comme : La rfrigration du gaz qui se sursaturera en eau dans des changeurs thermiques afin de sparer leau condense du gaz. Cette mthode ne peut diminuer le point de rose que jusqu environ + 5 C cause de problmes de conglation sur la surface des changeurs. Leau condense peut tre collecte avec un pot condensat ou un antibue quip de micropores. La rfrigration 25 C permet dliminer 95 % de la vapeur deau, mais galement lH2S dissout et les siloxanes. Cette technologie est rcente et se dveloppe aux Etats-Unis. Lefficacit est bonne y compris sur les siloxanes mais le cot nergtique est important. Le schage utilise les proprits de certains dessicants tels que la silice, lalumine active ou le tamis molculaire qui fixent ou adsorbent les molcules deau et asschent lair comprim. Les scheurs tamis molculaire sont ceux qui permettent datteindre les points de rose les plus bas. Ces scheurs sont le plus souvent constitus de deux colonnes. Le gaz est inject dans une colonne remplie de dessicants dans laquelle le point de rose peut atteindre -10 ou -20 C. La rgnration du dessicant peut tre effectue par balayage dair sec ou par apport de chaleur dans la colonne en repos . Le niveau de point de rose obtenu dpend essentiellement de la qualit de la rgnration et du temps de contact entre le biogaz et ladsorbant.

II.3.2. limination de lhydrogne sulfur Les protines et autres composs soufrs produisent du sulfure d'hydrogne durant la digestion. Les teneurs en H2S dans le biogaz provenant de dchets agricoles (djections animales) ou de dchets mnagers peuvent atteindre plusieurs milliers de ppm. Ce compos (ainsi que les mercaptans) peut tre limin in situ dans le digesteur, ou avant le procd de valorisation. Oxydation biologique l'air Dans les digesteurs agricoles les moins sophistiqus, llimination de lhydrogne sulfur est ralise par linjection dune petite quantit dair dans le ciel du racteur (1 5 % v/v), qui suffit rduire lH2S en soufre. Cette opration peut aussi tre ralise dans une unit de nettoyage aprs la production du biogaz. Cette mthode est base sur une oxydation arobie biologique du H2S en soufre par des bactries spcifiques (Thiobacillus). Afin de dvelopper ces bactries dans le systme, une surface mouille remplie de digestat liquide est ncessaire. Le procd suit la raction suivante : 2 H2S + O2 2 S + 2 H2O Les teneurs en H2S sont rduites de 2000-3000 ppm 50-100 ppm quivalents une efficacit de traitement entre 80-90 %. Cependant les teneurs en H2S restant dans le biogaz sont assez leves et ncessitent un traitement secondaire en vue dinjecter le biogaz dans le rseau. Le cot de maintenance et dopration de cette mthode est trs faible et les produits chimiques ou quipements spcifiques ne sont pas ncessaires. Linconvnient majeur est lajout dair dans le systme qui peut rduire lefficacit de lenrichissement du biogaz lorsquil y a une seconde tape dpuration.

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Elimination dH2S in-situ par prcipitation Pour les installations agricoles importantes ou les installations industrielles, llimination de lH2S est ralise en introduisant du chlorure ferrique ou ferreux dans le digesteur. La raction de prcipitation du fer s'crit comme suit: 2 Fe3+ + 3 H2S 2 FeS + S + 6 H+ Fe2+ + H2S FeS + 2 H+ La concentration en H2S est diminue jusqu' des teneurs comprises entre 5 et 200 ppm dans le flux gazeux la sortie. Ce type de traitement ncessite peu d'investissement (opration, suivi et maintenance) sauf si les dchets organiques fermenter contiennent des quantits importantes de soufre. Utilisation des oxydes et hydroxydes de mtaux Cette technique consiste remplir un racteur circulaire avec des oxydes de fer, hydroxydes de fer ou des oxydes de zinc. Un mlange d'oxydes de fer peut tre aussi utilis (SulfaTreat). Le biogaz est ensuite inject dans le racteur par le haut. Cette raction est endothermique et la temprature de la raction doit tre comprise entre 25 C et 50 C. La raction de rgnration est exothermique et de l'eau est ncessaire afin de refroidir le solide dont la temprature dpend de la concentration de H2S dans le biogaz. La raction est la suivante: Fe2O3 + 3 H2S 2 Fe2S3 + 3 H2O La rgnration du solide s'effectue en utilisant l'oxygne : Fe2S3 + 3 O2 2 Fe2O3 + 6 S Normalement, deux racteurs sont utiliss en parallle. Quand le premier est en train d'purer le biogaz, le deuxime est en rgnration. Cette mthode est peu coteuse et facile entretenir. Cependant les inconvnients sont : la grande quantit de chaleur gnre, et l'efficacit de la mthode qui diminue si le biogaz contient une grande quantit d'eau. Adsorption sur du charbon actif Le sulfure d'hydrogne peut tre adsorb sur du charbon actif. Cette raction d'adsorption est catalytique et le charbon ragit comme catalyseur. Souvent le charbon est imprgn d'iodure de potassium ou d'acide sulfurique afin d'acclrer la vitesse de la raction qui est la suivante : 2 H2S + O2 2 S + 2 H2O L'oxygne est ncessaire pour la raction et est le plus souvent ajout comme air. Cependant si les teneurs en H2S sont faibles, les quantits d'air ajoutes sont minimes. Le charbon se rgnre utilisant un gaz inerte et le soufre est vaporis puis liqufi aprs refroidissement. La rgnration demandant un quipement compliqu donc est trs souvent non effectue. Autres techniques D'autres techniques peuvent tre aussi utilises pour purer le H2S. Ces techniques se basent sur de l'adsorption liquide utilisant des solutions. Cependant ces techniques ncessitent des quantits importantes d'eau et des cots levs pour rgnrer l'adsorbant. On distingue : l'adsorption chimique utilisant une solution dilue de NaOH. La soude ragit avec le sulfure d'hydrogne pour former le sulfite de sodium. Le sel ainsi form ne peut pas tre recycl. l'adsorption chimique utilisant une solution de chlorure de fer. La formation d'un prcipit la fin de cette raction complique le procd puisqu'il faut le retirer du racteur. l'adsorption chimique dans un systme ferm ou la phase d'adsorption est suivie par la rgnration comme le procd de Gluud o l'puration du H2S s'effectue en

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utilisant une solution de Fe(OH)3 et le Fe2S3 form est rgnr par l'oxygne de l'air. le simple lavage leau sous pression est utilis dans certaines installations (comme Ecopark 2 Barcelone) : la concentration en H2S dans le biogaz lav se situe audessous de 200 ppm, ce qui est suffisant pour la valorisation en moteurs. On peut citer d'autres techniques plus sophistiques comme : la sparation membranaire utilisant une membrane semi-permable pour liminer le H2S et non pas le CO2 ou le CH4; le traitement biologique utilisant des bactries spcifiques capables d'oxyder le H2S qui doit subir au pralable une premire tape d'absorption dans une phase liquide; les tamis molculaires. II.3.3. Production de biomthane Adsorption par Oscillation de Pression (PSA) Ce procd, assez coteux mais largement rpandu, joue sur la diffrence daffinit du mthane et du CO2 avec un support de zolithes ou de charbon actif diffrents niveaux de pression. Le charbon actif ou les zolithes adsorbent le sulfure d'hydrogne irrversiblement donc une premire tape dlimination des composs soufrs et halogns par des charbons actifs est ncessaire. De mme, ce procd requiert un gaz sec donc le biogaz est sch avant qu'il ne soit inject dans le systme. Le procd d'enrichissement est constitu dau moins 4 colonnes remplies de matriel adsorbant qui oprent dans un cycle alternatif comme adsorbant, rgnrant, ou pour augmenter ou diminuer la pression. Durant la phase d'adsorption, le biogaz entre par le bas dans l'une des colonnes remplie d'adsorbant. En traversant la colonne, le biogaz se dcharge du dioxyde de carbone, oxygne et nitrogne qui sont adsorbs. Dans les conditions normales d'opration, le mthane la sortie de la premire colonne (par le haut) contient > 97 % de mthane. Avant que le matriel adsorbant ne soit compltement satur, cette phase est arrte et une autre colonne remplie d'adsorbant rgnr est commute en mode adsorbant afin d'avoir un mode continu d'opration. La rgnration s'effectue en passant par une premire tape de dpressurisation de la colonne la pression atmosphrique. Durant cette tape, l'adsorbant relargue un mlange CH4/CO2 contenant une quantit importante de CH4 qui va tre recycl l'entre du systme. La deuxime tape consiste effectuer une rgnration complte en soumettant l'adsorbant une pression proche du vide. La dernire tape est la pressurisation de l'adsorbant afin de le prparer recevoir le biogaz.

Absorption Physique du CO2 Ces techniques d'absorption sont bases sur le principe de la sparation du CO2 et CH4 utilisant un adsorbant. a) Lavage l'eau avec rgnration Le CO2 (ainsi que tous les composs polaires comme le H2S) est dissout sans aucune raction chimique en utilisant l'eau comme absorbant qui est le plus commun solvant utilis pour l'absorption du CO2. La rgnration de l'absorbant est possible soit par rinage (en diminuant 29

la pression) ou en chauffant ainsi, l'eau (qui doit tre aussi propre que possible) peut-tre rutilise dans un systme ferm ou utilise pour un simple passage. Le biogaz est compress et inject dans une colonne d'absorption (par le bas) alors que l'eau est mise circuler du haut de la colonne (tour de lavage) pour avoir un contact contre-courant gaz liquide sous pression. Leau circule de haut en bas et le biogaz de bas en haut. Cette colonne est normalement remplie de boules de garnissage (ring) afin d'augmenter le contact gaz liquide. Le CO2 ainsi fix par l'eau, le biogaz qui sort du haut de la colonne ne contient plus le dioxyde de carbone mais il est satur en eau et doit tre sch. Cependant, le mthane est partiellement soluble dans l'eau pressurise et certaines pertes de mthane peuvent avoir lieu (< 2 %). Afin de minimiser ces pertes, l'eau contenant le mthane et le dioxyde de carbone est dpressurise dans une autre colonne afin de rcuprer le mthane restant qui est recircul de nouveau. L'eau est dpressurise la pression atmosphrique (en deux tapes) et injecte par le haut dans une colonne de dsorption dont le bas est quip d'un souffleur d'air. Cette colonne de dsorption, remplie de boules de garnissage, fonctionne de la mme manire que celle d'adsorption, est ncessaire afin de rgnrer l'eau. Une fois rgnre, l'eau est refroidie dans un changeur thermique pour maintenir la temprature d'absorption et recycle dans la colonne d'absorption. Le CO2 obtenue est relch dans l'atmosphre. Il peut aussi passer par un filtre afin de le dodoriser. Le sulfure d'hydrogne est aussi absorb avec le CO2 dans la colonne d'absorption puisque la solubilit du H2S est leve dans l'eau. Cependant dans la colonne de dsorption, tout le H2S n'est pas dsorb et peut tre transform en soufre zro qui peut s'accumuler dans le systme et crer des problmes de colmatage aprs un certain nombre de cycles. Ainsi, il est prfrable d'liminer le H2S avant l'absorption. b) Lavage l'eau sans rgnration Le mme procd utilisant la colonne d'adsorption est employ durant ce traitement sauf que cette fois-ci l'eau n'est pas re-circule mais utilise une seule fois. L'eau qui sert dans ce procd peut tre celle municipale ou une eau use (moins chre). En effet, thoriquement, une eau use traite est suffisante pour tre utilise dans ce procd. Une fois l'eau dpressurise, elle retourne dans l'usine de traitement des eaux uses. L'eau use peut la longue faire dvelopper des algues et des bactries sur les boules de garnissage utilises l'intrieur des colonnes d'adsorption et de dsorption (IEA, 1999; Persson, 2003). Le nettoyage de ces boules (une ou deux fois par an) serait donc ncessaire. Ce procd la diffrence du prcdent n'est pas sensible la prsence du H2S puisque l'eau n'est utilise qu'une fois. c) Elimination du CO2 utilisant le Selexol Le Selexol est une marque dpose pour le polyglycol ether qui est un produit chimique ayant une faible pression de vapeur ainsi les pertes sont trs faibles durant le procd. Le Selexol peut liminer le CO2, lH2S ainsi que l'eau simultanment avec une grande slectivit vis--vis du H2S dont la rcupration ncessite cependant une grande nergie. Le procd est identique l'limination du CO2 utilisant l'eau avec rgnration. Une colonne d'absorption, remplie de boules de garnissage est aussi utilise : le Selexol est introduit par le haut et le biogaz compress par le bas. Le dioxyde de carbone est absorb par le Selexol et le biogaz qui sort ne contient plus le CO2. La rgnration du Selexol s'effectue de la mme manire que l'eau dans une colonne de dsorption aprs dpressurisation pour d'une part rcuprer le mthane et d'autre part nettoyer le Selexol du CO2. La seule diffrence entre l'eau 30

et le Selexol est que le H2S ne peut pas tre rcupr dans la colonne de dsorption : un systme chauffant est ncessaire. Il est recommand que le H2S soit limin avant l'absorption ou bien considrer le Selexol comme un moyen d'liminer le H2S. Puisque le Selexol limine aussi l'eau, un schage supplmentaire n'est pas ncessaire.

Adsorption Chimique du CO2 Ce procd est bas sur le mme principe que l'absorption physique sauf que cette fois-ci l'absorption se fait avec une raction chimique. Le biogaz est inject haute pression et temprature dans une colonne remplie d'un certain liquide qui ragit chimiquement avec le gaz afin d'liminer les composs comme le CO2 et H2S. A cause des cots levs de l'absorbant, ce dernier est toujours rgnr avec une raction chimique inverse durant laquelle le CO2 absorb est dsorb. Les alcanoamines comme la mono-thanol amine (MEA), la dithanolamine (DEA) sont souvent employes cet effet. Ainsi par exemple, le MEA est une base organique incolore qui n'limine pas l'eau mais qui a un rendement de purification de mthane proche des 100 %. Ces composs ne sont comptitifs du point de vue cots que dans les usines grande chelle. Aucun de ces procds n'a la capacit d'liminer les mercaptans. Le principe du procd repose sur la raction suivante: RNH2 + H2O +CO2 RNH3+ HCO3- (sous pression)

Sparation par Membranes Le principe de la sparation par membranes est bas sur le fait que certains composs du biogaz avant traitement sont retenus par une membrane fine (< 100 m) alors que d'autres ne le sont pas. Cependant, en pratique un certain pourcentage de tous les composs ne sera pas retenu. Le transport de chaque molcule est contrl par la diffrence de pression partielle travers la membrane et dpend de sa permabilit vis--vis des composantes de la membrane. Afin d'obtenir un biogaz riche en mthane, la membrane doit tre trs slective, donc la diffrence de permabilit entre le CO2 et le CH4 doit tre leve. Ces membranes peuvent tre constitues de modules de fibres vides (grande surface par volume) ou de polymres comme l'actate de cellulose. Le CO2 a une permabilit dans l'actate de cellulose 20 fois plus leve que le CH4, et le H2S 60 fois plus leve que le CH4. Ainsi le CO2 et lH2S passeront travers la membrane alors que le CH4 va tre retenu. Le biogaz contenant une teneur rduite en CO2 est retenu dans la membrane, est rcupr pression leve (25-40 bars) et peut tre directement inject dans le rseau de distribution. Ce procd doit tre optimis du point de vue rendement en mthane et puret puisque ces deux notions ne sont pas quivalentes. La puret du biogaz peut tre amliore en augmentant les dimensions et le nombre des modules des membranes. Cependant ceci aura un effet ngatif sur le rendement puisque plus de molcules de mthane vont passer travers les membranes. Pour accrotre le rendement, le gaz qui traverse les membranes peut tre recircul . Une autre mthode faibles cots d'investissement et d'opration pour augmenter le rendement, est d'ajouter du propane afin d'atteindre les spcifications requises. Autres types de membranes liquides peuvent aussi tre utilises et sont, d'aprs la littrature, d'une grande slectivit et oprent faible pression. Elimination du CO2 par cryognisation Le dioxyde de carbone peut tre spar du mthane par cryognisation pression leve et limin sous forme de CO2 liquide. Cette mthode a t tudie comme un projet de recherche (Lund Institute of Technology) et n'a pas t applique pour un usage commercial. Le biogaz

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avant traitement est compress progressivement jusqu' 80 bars en refroidissant entre les tapes. Le gaz compress est sch afin d'viter sa conglation durant l'tape de refroidissement suivante -45 C. Le CO2 condens est limin du sparateur et achemin pour le recyclage du mthane. Le biogaz obtenu est re-refroidi jusqu' -55 C et mis en expansion (Pression = 8-10 bar, Temprature = -110 C) o un quilibre gaz-solide s'tablit, le solide tant le gaz carbonique et la phase gazeuse est le biogaz. Le biogaz ainsi valoris contient plus de 97 % de mthane et peut tre inject. Ajout de propane Du propane ou du gaz liqufi (mlange propane et butane) peuvent tre ajouts la fin du procd pour atteindre les spcifications requises. Ces deux composs ont une valeur calorifique et un indice de Wobbe assez levs. Ainsi par exemple le LGP contenant 70 % de propane et 30 % de butane a une valeur calorifique de 103 MJ/m3 et un indice de Wobbe de 85 MJ/m3. L'ajout du propane ou du LGP ne doit tre considr que comme une mthode complmentaire et doit tre combine avec une autre mthode d'enrichissement du biogaz. Cet ajout peut tre utilis pour rgler la qualit du gaz la sortie de la mthode d'enrichissement et dpend de la qualit du biogaz et de la mthode d'enrichissement. Ainsi par exemple, combine avec la mthode d'enrichissement par membrane, l'nergie estime du GPL ajoute est autour de 8 % du flux total du gaz. Le cot de cette mthode est estim 10 % de l'investissement total de l'usine d'enrichissement.

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II.4. Les techniques de valorisation du biogazLe biogaz, quil soit gnr par la digestion anarobie de dchets fermentescibles au sein de casiers de stockage, ou par la digestion de matires organiques tries, en conditions contrles au sein dun racteur5, peut tre valoris selon plusieurs voies (Figure 11), dont les principales sont listes ci-dessous : chaleur (utilise pour linstallation ou revendue : se faisait Amiens) lectricit (revendue) : scher, liminer H2S et siloxanes au minimum (il y a peu dexemples de gnration dlectricit seule sur les installations de mthanisation) co-gnration (combinaison des deux lments prcdents ; exemples : Varennes Jarcy, installations agricoles), puration (>90% v/v de mthane), compression pour production de carburant vhicules (Lille actuellement), puration (>90% v/v de mthane), compression pour injection dans le rseau de gaz naturel (projet Lille, voie existante en Scandinavie, Allemagne, Suisse).

Figure 11 : schma simplifi des voies de valorisation du biogaz

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La production de mthane correspond toujours 350 litres par kg de DCO dgrade (Demande Chimique en Oxygne (mesurant les quantits de matire dgradable chimiquement)).

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Lutilisation du biogaz va surtout dpendre des conditions locales, techniques et socioconomiques et des besoins. Elle peut tre trs locale sil y a un besoin dnergie sur place (chauffage du digesteur, de locaux, lectrification du site) ou proximit (usines, rseau, habitations,). Si le site de production est isol, le biogaz servira la production dlectricit qui sera revendue. La voie de valorisation possible dpend de lindice de Wobbe (W) atteint par le gaz selon son degr dpuration. Lindice de Wobbe dpend du pouvoir calorifique suprieur (PCS) et de la densit du gaz.

o d est la densit du gaz. Remarque : en gnral lindice de Wobbe est dfini par rapport au pouvoir calorifique suprieur, alors que cest gnralement le PCI (pouvoir calorifique infrieur) qui est indiqu Par exemple, pour le mthane le PCI est de 9,94 kWh/m3 0C et pression atmosphrique. Pour le gaz naturel, PCS = 1,11 PCI. Le pouvoir calorifique du biogaz dpend de sa teneur en mthane : pour une proportion de 65 % de mthane, le PCI est de 6,46 kWh/m3. Le PCI dpend galement de la teneur en eau, ne pas ngliger : un biogaz satur en eau 50 C contient 100 g/m3 de vapeur deau, soit 12 % v/v. Cest pourquoi, pour toute valorisation, il est intressant dliminer au moins leau. Selon la voie de valorisation envisage, le procd dpuration sera plus ou moins pouss (et donc coteux). comme on la vu, dans tous les cas, il est prfrable denlever leau (condensation dans les conduites et purges, dshydrateur, dvsiculateur et sparateur diphasique, tamis molculaires,). dans les cas les plus simples, le biogaz est utilis directement dans des appareils rsistants l' H2S (brleurs, moteurs robustes, ). pour les moteurs, le biogaz sera en plus pur de lH2S, qui est corrosif (par de loxyde de fer, du charbon actif ou un lavage leau sous pression), des siloxanes et quelque fois de son CO2 (lavage leau sous pression, tamis molculaire,). pour le rseau de gaz naturel ou lutilisation comme carburant vhicules, leau, lH2S, les organo-halogns (par charbon actif), le CO2, les mtaux (charbon actif) et loxygne (par traitement thermique catalytique) doivent tre enlevs. Le Tableau 1, issu dun rapport de lAFSSET (2008), rsume les caractristiques des biogaz bruts, issus dISDND ( landfill gas ) et de digesteurs ( biogas from AD ), comparativement celles des gaz naturels de la Mer du Nord et de Hollande. Il montre bien le gain raliser sur la qualit du biogaz (lvation de la teneur en mthane, limination des autres constituants) en vue de rendre ce gaz compatible avec les rseaux de tranaport et de distribution du gaz naturel.

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Tableau 1 : Comparaison des caractristiques des biogaz avec celles de gaz naturels

Les appareils susceptibles de fonctionner au biogaz sont : les brleurs, cuisinires, chauffe-eau, rfrigrateurs, fours et chaudires, les moteurs diesels ou essence fixes ou de vhicules, les groupes lectrognes, les moteurs spcialement conus pour le biogaz, les moteurs co-gnration (produisant de lnergie lectrique et calorifique), les chaudires vapeur pour la production dlectricit par des turbines. Seuls les grands principes sont dcrits dans ce chapitre. Des dtails sur les technologies, ainsi que des paramtres de fonctionnement et des lments de cots (investissements et fonctionnement) sont donns une tude publie par RECORD6. II.4.1. Valorisation thermique La production dnergie thermique par le biais dune chaudire est la voie de valorisation du biogaz la plus simple mettre en uvre. Les contraintes techniques sont faibles. Les chaudires alimentes au biogaz ont un fonctionnement similaire celles alimentes au gaz naturel. Des adaptations de chaudires fonctionnant au gaz naturel peuvent permettre leur alimentation en biogaz. Les brleurs ont notamment des rglages spcifiques pour la combustion du biogaz. Dans la plupart des applications, les installations de combustion sont dj existantes et utilisent un combustible tel que le fioul, le gaz naturel, etc. Les fours ou chaudires sont par consquent dj quips de brleurs et de leur dispositif d'alimentation. Ainsi pour plus de flexibilit des installations tout en ralisant une conomie d'nergie, on double certains des brleurs existants voire la totalit, avec des brleurs biogaz . On veillera maintenir un excs de production de biogaz par rapport la consommation du procd, de faon garantir une alimentation normale des brleurs.RECORD (2009) : Techniques de production d'lectricit partir de biogaz et de gaz de synthse , C. Couturier (Solagro), janvier 2009, 253 p, n07-0226/1A.6

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Dans une chaudire biogaz, la teneur en CH4 du biogaz admissible peut descendre jusqu' 20% (gaz trs pauvre) et les contraintes dpuration sont lgres. Une dsulfuration peut cependant s'avrer ncessaire car la prsence d'hydrogne sulfur combine celle de vapeur d'eau peut tre responsable de phnomnes de corrosion. La chaleur dgage par la combustion est rcupre sur un circuit d'eau pour produire de l'eau chaude. Cette voie de valorisation est a priori intressante lorsque des utilisateurs potentiels se situent proximit de linstallation (ctait le cas de linstallation de mthanisation industrielle dAmiens qui revendait la chaleur une industrie voisine). galement, une partie de la chaleur produite est souvent utilise sur linstallation pour maintenir le(s) digesteur(s) en temprature et chauffer les locaux annexes (y compris lhabitation pour les installations agricoles). La chaleur de combustion du biogaz peut alors servir pour la production d'eau chaude, de vapeur moyenne ou haute pression La chaudire biogaz peut aussi servir d'lment de secours dans une installation utilisant une cognration pour assurer la production de chaleur en cas de non fonctionnement ou d'entretien de celle-ci. Les chaudires utilises pour le biogaz sont semblables aux chaudires gaz classiques (Figure 12). Exemples dapplication : Eau chaude sanitaire : l'Abbaye de Tami situe prs d'Albertville valorise son biogaz par une chaudire et produit ainsi l'eau chaude sanitaire pour l'Abbaye (60 quivalent habitants). Fourniture de vapeur industrielle : usine de mthanisation dOM dAmiens, papeteries Emin-Leydier Saint Vallier (26), mthanisation des vinasses chez Rvico SaintLaurent de Cognac (16), Chauffage dune piscine municipale Bayeux (14), Alimentation d'un four mtallurgique Blaringhem (59), Schage de fourrage en priode dt (le biogaz tant valoris lhiver en moteur lectrique ou pour le chauffage de btiments), Evaporation de saumures de lixiviats dISDND (les rsidus solides sont enfouis en installations de classe 1, la phase liquide brle en cimenterie).

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Figure 12 : exemples de chaudires biogaz

II.4.2. Valorisation lectrique L'lectricit est produite par la conversion de l'nergie mcanique du moteur ou de la turbine, au travers d'un alternateur, selon le principe du groupe lectrogne. Elle peut galement tre directement produite par une pile combustible. Selon la puissance concerne, l'lectricit est produite une tension allant de 220-230 V (application domestique en Europe), en passant par 400 V (rseau basse tension triphas) jusqu' 15 kV voire plus sur certaines trs grosses units cycle combin. Suivant les besoins, la tension sera ventuellement leve au travers d'un transformateur. La Figure 13 reprsente un exemple simple (petite installation) de gnration dlectricit partir de biogaz (mthaniseur ou puits dISDND).

Figure 13 : exemple dinstallation de production dlectricit ( partir de puits de biogaz)

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Diffrents dispositifs permettent de gnrer de llectricit partir de biogaz : les moteurs combustion interne, les turbines gaz, les piles combustible. Moteurs combustion interne Actuellement, des moteurs de diffrentes tailles sont disponibles, ce qui permet dquiper des installations, jusqu quelques MW (en utilisant plusieurs moteurs en parallle). Les moteurs se rpartissent entre moteurs tincelles et moteurs dual-fioul (co-injection de gazole de lordre de 10 % : elle ne doit pas dpasser 20 %, daprs larrt du 2 octobre 2001). Ce dernier type offre en gnral une grande souplesse de fonctionnement et une dure de vie plus grande que les groupes tincelle, du fait de leur vitesse de rotation plus lente, et une meilleure stabilit quune alimentation en biogaz seul (lalimentation en biogaz ntant pas ncessairement constante). Les rendements de ces moteurs sont de lordre de 35 % (ils atteignent au maximum 40 %). Les missions de NOx dans le cas des units de cognration quipes dun moteur gaz dpassent rgulirement la valeur limite ce qui savre ponctuel dans le cas des units dualfuel. Pour les missions en CO, elles sont gnralement plus leves pour les moteurs dualfuel tout en respectant la valeur limite.

Figure 14 : un des 7 moteurs Waukesha de linstallation Biovale (Roche la Meulire, Loire)

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Figure 15 : moteur gaz (documentation Guascor) Turbines gaz Principe gnral Une turbine gaz comporte un tage de compression de lair comburant (tage compresseur), et un tage de dtente des gaz de combustion appel turbine. Cest la dtente des gaz qui fournit lnergie cintique qui actionne la turbine et produit lnergie mcanique. La combustion gaz + air seffectue soit en entre de turbine, soit dans une chambre de combustion externe au corps mme de la turbine. Les turbines gaz offrent des rendements gnralement comptitifs avec ceux des turbines vapeur. Les constructeurs de turbines ont dvelopp, depuis plusieurs annes, des matriels plus performants qui nont pas utiliser les gaz dchappement haute temprature. Un meilleur contrle de la prcision dans la fabrication des aubes de compresseurs et turbines permet daugmenter le rendement. Les turbines utilises pour le biogaz sont issues de ladaptation de turbines standards sur gaz pauvres. On distingue 2 tailles dinstallations : les micro-turbines (< 100 kW) et les turbines de puissance suprieure 800 kW. Les turbines gaz reprsentent un investissement lev mais ont des cots de maintenance faibles. Des turbines vapeur sont galement utilises : la vapeur est produite grce la combustion de biogaz dans des chaudires ddies au biogaz (voir lexemple ci-dessous). Exemple du CET de Plessis-Gassot (Figure 16) Chaque centrale est constitue de 3 chaudires (dont 1 en secours) et dune turbine de 11MWe, dimensionnes pour traiter en continu un dbit de biogaz de 9 200 Nm3/h. - Turbine et alternateur : 8 tages, 11800 kW, dbit 60t/h - Chaudires : production : 30 t/h de vapeur 390C/40 bar unitaire, puissance thermique : 23 MW sur PCI unitaire, rendement : 0,93 sur PCI - Brleurs : Ces brleurs ont t spcialement dvelopps pour le biogaz. Ils permettent dobtenir une parfaite stabilit de flamme sans soutien dans une plage importante de variation 39

du PCI (mme pour une valeur minimale < 3 000 kcal/Nm3). La variation de dbit possible est de 1 6 malgr une pression disponible de seulement 150 mbar au brleur. Ces brleurs peuvent galement fonctionner au fuel oil lourd afin dassurer la continuit de la production en cas de rupture de lapprovisionnement en biogaz. puissance maxi : 23 MW dbit de biogaz : maxi 9 500 Nm3/h (variable de 3 200 5 200 kcal/Nm3), mini 1 900 Nm3/h - Rgulation : Similaire celle dune rgulation classique gaz naturel de type mesureuse, le dbit du biogaz tant corrig en fonction de la valeur du PCI mesure en continu. Le rapport air/combustible est corrig par un facteur fonction de la teneur en oxygne dans le gaz de combustion.

Figure 16 : Schma gnral de linstallation- BILAN DE FONCTIONNEMENT APRES 5 ANS DEXPLOITATION

Les brleurs nont ncessit aucun entretien particulier. Leur conduite est identique celle dune installation au gaz naturel. Aucune corrosion ou bouchage nont t constats depuis leur dmarrage. Performance de combustion : excs dair au nominal : 8 % NOx : 50 mg/Nm3 3% O2 sur sec CO : 0 - Ct chaudires : Pas de corrosion constate ce jour (conception particulire). La prsence de silice non combustible dans le biogaz conduit des dpts sur le surchauffeur et sur lconomiseur qui ncessitent un nettoyage annuel. - Exploitation : Lobjectif de production lectrique sur le rseau EDF de 80 millions de kWh par an est largement tenu.

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Caractristiques compares des moteurs gaz Le Tableau 2 compare les rendements, puissances et cots dinvestissement et de maintenance pour les diffrents types de moteurs utilisables pour la production dlectricit partir de biogaz. Tableau 2 : caractristiques de diffrents moteurs de valorisation du biogaz Moteur essence, allumage par tincelle 24 - 29 Elev Faible 5 - 30 Faible Moteur diesel injection 30 - 38 Elev Moyen lev 30 200 Moyenne Moteur diesel allumage par tincelle 35 - 42 Moyen Moyen > 200 Eleve Micro-turbine 26 - 29 Faible Elev < 100 Eleve

Efficacit (%) Cot de maintenance Cot dinvestissement Puissance (kW) Dure de vie Piles combustibles

Cette technique est cite part car elle est en dveloppement pour les applications biogaz. La technologie des piles combustible existe depuis plus de 100 ans, mais elle requiert une qualit de gaz trs leve. Le principe est celui d'une transformation du biogaz en hydrogne biogne pour alimenter la pile. Des exprimentations sont maintenant menes pour amliorer les techniques de prparation du gaz et de "reforming" de l'hydrogne. Les piles combustible sont potentiellement un rendement trs lev (on cite plus de 60 %) pour de faibles missions. Cette technique prometteuse est exprimente actuellement en Allemagne par l'Institut de technologie et d'ingenirie des biosystmes du FAL en collaboration avec le constructeur d'installations Farmatic Biotech Energy AG sur le terrain de recherche du FAL. Dans ce projet soutenu par l'agence pour les matires premires renouvelables (FNR), le biogaz est tout d'abord nettoy biologiquement et ensuite transform en hydrogne trs pur. Cet hydrogne biogne est alors utilis de diffrentes manires dans les piles combustibles membrane lectrolyte polymre (PEMFC) pour la production de chaleur et d'lectricit. II.4.3. Co-gnration L'ide de cognration se base sur le fait que la production lectrique dgage une grande quantit de chaleur temprature moyenne, habituellement dissipe dans l'environnement. En rponse une demande thermique (chauffage, process industriel, etc.), elle propose d'utiliser le cycle de gnration lectrique galement comme source thermique. La production d'lectricit en cognration peut s'effectuer avec une chaudire au biogaz, suivie d'une turbine vapeur. Cette voie trs classique pose peu de problmes techniques et les contraintes d'puration du biogaz sont celles que rclament les chaudires. Dans le cas de la solution "turbine vapeur", on pourra se contenter d'un traitement par simple filtre dshydrateur l'entre du compresseur, de faon enlever les particules solides ou liquides en suspension dans le biogaz. La chaudire sera munie de tubes de fume dont le matriau pourra rsister aux fumes de biogaz, ventuellement fortes teneurs en H2S. 41

Alors que dans une centrale lectrique, c'est le rendement lectrique maximum qui est recherch (rendement lectrique de l'ordre de 40 % avec un cycle simple et atteignant 55 % avec un cycle combin), dans la cognration, on vise un rendement global accru par l'utilisation prioritaire de l'nergie thermique, soit dans un processus industriel, soit dans une chaufferie ; la co-gnration d'lectricit n'est plus dans ce cas le but mais une consquence, amliorant le bilan conomique de l'quipement dont le rendement global peut alors atteindre 90 %. Les hauts rendements affichs par les units de cognration sont calculs de la faon suivante :

o :

Pelec est la puissance lectrique produite. est la puissance thermique extraite des gaz d'chappement. est la puissance thermique fournie par le combustible.

Figure 17 : moteurs de valorisation Varennes Jarcy

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Tableau 3 : exemple de la Ville de Besanon (STEP)CARACTERISTIQUES TECHNIQUES moteur gaz (donnes constructeur): 12 cylindres en V 30 litres de cylindre alimentation turbocompresse avec changeur puissance mcanique larbre : 630 CV 1.500 tr/ min puissance thermique : 567 kW rendement lectrique : 37,1% rendement thermique : 46,3% rendement total : 83,4% gnratrice lectrique de STAMFORD : 450 kW sous 400