Assane DIAGNE - SATIC(MIER) 16
CHAPITRE 1. L'ÉTAT DE L'ART : DU BIOGAZ À
SA VALORISATION ÉNERGÉTIQUE
· Carburant pour véhicules :
Assez répandue en Europe, il permet de réduire les
émissions atmosphériques (20 à 30% de réduction des
émissions de CO2, réduction de l'émissions de
particules,..). Le biométhane carburant (bioGNV) doit remplir les
mêmes conditions de qualitéque le gaz naturel véhicule
(GNV) afin de pouvoir s'y substituer sans difficultés techniques ni
administratives. En particulier, le bioGNV doit être
compriméà 200 bar et avoir un point de rosée de
-20 °C. Elle est destinée, pour l'instant aux
véhicules des collectivités locales. Son intérêt est
à la fois économique et environnemental compte tenu de la
qualitédes rejets des moteurs à gaz.
Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons
présentél'historique du biogaz les différentes voies de
production de biogaz, sa valorisation énergétique .
17
Deuxième partie
'Etude technique et étude comparative
18
Chapitre 2
'Etude et expérimentation du biogaz
produit à partir de la fosse septique.
Introduction
La fosse septique est le réacteur du système
c'est à dire le lieu de la méthanisation des effluents entrants.
Par conséquent l'évaluation de ce flux et le dimensionnement de
la fosse permettent d'établir la quantitéde biogaz que le
système peut fournir. C'est pour cela dans ce chapitre on va
définir et dimensionner l'ensemble paramètres du système
afin déterminer le volume du biogaz produit.
2.1 Étude d'une fosse septique 2.1.1
Caractéristiques et fonctionnement
La fosse septique est une installation d'assainissement non
collectif c'est à dire individuelle dans les zones ne disposant pas d'un
réseau d'évacuation. C'est un système autonome
d'assainissement des eaux usées de la maison provenant des toilettes. On
parle de fosse toutes eaux lorsqu'elle reçoit l'ensemble des eaux-vannes
et des eaux ménagères.
Une fosse septique est un bac imperméable à
l'eau, elle peut être constituée de différents
matériaux: béton ou plastiques.
CHAPITRE 2. ÉTUDE ET EXPÉRIMENTATION DU BIOGAZ
PRODUIT À PARTIR DE LA FOSSE SEPTIQUE.
FIGURE 2.1 - Une fosse septique
La fosse septique assure deux fonctions essentielles [18] :
- La rétention des déchets solides grâce au
phénomeme de la décantation.
- La solubilisation qui s'accompagne par la fermentation et la
méthanisation des boues produites par la transformation des
matières solides (MS).
Ces deux fonctions représentent respectivement les
processus physicochimique et les processus biochimiques.
FIGURE 2.2 - Schéma de principe d'une fosse septique
Lorsque les flux arrivent dans la fosse septique, les
matières en suspension (MES) plus lourdent
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CHAPITRE 2. ÉTUDE ET EXPÉRIMENTATION DU BIOGAZ
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que l'eau se déposent au fond par le
phénomène de décantation et formant ainsi la boue. Par
contre les MES les moins denses flottent en surface pour former l'écume
[19].
Grâce aux processus biochimiques, les flux de substrats
retenus dans la fosse septique se décomposent progressivement, ce qui
réduit considérablement le volume de boues et qui permet donc
à la fosse septique de fonctionner pendant trois à quatre
années sans vidange [20]. Cette deuxième fonction de fosse
septique joue un rôle très important.
2.1.2 Dimensionnement des fosses septiques
La conception et le dimensionnement d'une fosse septique est
d'assurer ses deux fonctions essentielles expliquées ci-dessus.
Un temps de rétention hydraulique permet à la
fosse septique de retenir toutes les particules en suspension. Ce temps de
rétention hydraulique (TRH) varie de deux à quatre jours [21] et
cela dépend de la manière dont les fosses septiques sont
conçues.
Et vu que la surface utile de décantation et le temps
de rétention hydraulique sont liés, la surface utile de
décantation correspond mieux aux critères de dimensionnement.
Une fosse septique peut être conçue et
dimensionnée comme un décanteur [22]. Dans ce cas, les principaux
éléments de dimensionnement reposent sur la théorie de
décantation des particules discrètes (dont la vitesse de chute
est indépendante de la concentration en solides), selon les lois de
Newton et de Stokes.
En se basant sur le décanteur idéal de HAZEN
[23], on considère que la particule à retenir a une vitesse de
chute V0 et qu'elle doit parcourir la hauteur h voir Figure
2.3 avant l'écoulement du temps t au bout duquel elle
ressortirait du décanteur [24].
FIGURE 2.3 - Schéma d'un
décanteur idéal de HAZEN
On considère L, l et h les dimensions
du décanteur, le débit d'effluent entrant Q, la vitesse
de l'écoulement Vx, la vitesse de chute V0,
la particule à retenir dans le décanteur doit satisfaire la
condition suivante :
V0 > h/t (2.1)
t : c'est le temps de séjour hydraulique dans le
décanteur, il est définie par la relation suivante :
t = L/Vx (2.2)
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Or la vitesse de l'écoulement de l'effluent
Vx est donnée par l'équation ci-dessous.
Vx = Q/hl (2.3)
Avec l la largeur utile du décanteur.
En introduisant l'équation 2.3 dans l'équation 2.2,
on obtient une nouvelle équation 2.4 .
t = Lhl/Q (2.4)
Introduisant ensuite l'équation 2.4 dans
l'équation 2.1, on aboutit à l'équation 2.5 qui met en
évidence l'importance de la surface utile de décantation
Su.
V0 > Q/Ll V0 > Q/Su
(2.5)
Le rapport Q/Su porte le nom de vitesse
ascensionnelle (Va) ou vitesse de HAZEN. [23]
Il ressort de cette formule traduite par l'équation 2.5
que toutes les particules dont la vitesse de chute V0 est
supérieure à Va seront retenues. La formule
montre également que lorsque la surface utile de décantation
augmente, la vitesse ascensionnelle Va diminue et la
quantitédes particules retenues augmente. Ainsi, une fosse septique
ayant une grande surface utile de décantation (fosse septique
horizontale) est plus performante que celle dont l'aire de la section
horizontale est plus petite (fosse septique verticale), même si le volume
est identique [24].
En se référant sur la revue de la
littérature et du schéma présentéà la Figure
2.2, les critères de dimensionnement des fosses septiques sont
énumérés ci-dessous :
La pollution organique reçue
Por : Il s'agit de la quantitéde pollution
engendrée par le nombre d'habitants (Um ) utilisant
la fosse septique. Cette pollution organique est fonction du taux
d'accumulation de boues. La valeur de 0,2 l (0,0002
m3) par jour et par habitant, est idéale pour les
calculs. Por en une année est donnée par
l'équation :
Por(m3/an) =
0.0002 x Um x 365 (2.6)
La capacitéde stockage des boues
Vb : Elle dépend de deux éléments : la
pollution organique reçue Por et l'intervalle entre
deux vidanges (ip). Cette capacitéde stockage des
boues est définie par l'équation :
Vbo(m3) = 0.0002
x Um x 365 x ip (2.7)
Dans le contexte de la commune de Ngoundiane, cet intervalle
ip est fixéà 4 ans ( période
après laquelle les boues sont supposées suffisamment
digérées).
Le débit de pointe journalier
Qp : Ce débit de pointe journalier
(Qp) est défini par l'équation suivante doit
toujours être inférieur au volume utile de décantation pour
éviter de reversement de la fosse.
Qp(l/s) = Q24
{1.5 + 2.5
V Q24 } (2.8)
Le volume utile de la fosse septique
VU/FS : Ce volume comprend le volume occupépar le
liquide et les boues. Il est calculémathématiquement par la
relation suivante :
VU/FS(m3) = 0.0002 x
Um x 365 x ip x 2 (2.9)
On déduit que la plus petite fosse septique qu'il convient
de concevoir et dimensionner correspond à un VU/FS
égal à 3 m3.
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CHAPITRE 2. ÉTUDE ET EXPÉRIMENTATION DU BIOGAZ
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La surface utile de décantation
Su : Cette surface dépend du volume utile
de la fosse septique (VU/FS) et de la profondeur
utile (HU). Elle est définie par :
VU/F S
Su(m3) =
(2.10)
HU
L'équation montre par ailleurs que pour un même
volume utile VU/FS, la fosse la plus performante
est celle qui a la plus grande surface utile de décantation
Su et donc le minimum de profondeur utile (HU
= 1m).
le ratio volumique 1er 2ème compartiment de la
fosse septique : le ratio recommandéest de 2 :1. Il suffit
d'attribuer au premier et au deuxième compartiment, respectivement la
longueur utile égale à 2/3 et 1/3 de la longueur totale utile de
la fosse septique.
Le volume total de la fosse septique
VT/FS : Ce volume total comprend le volume utile de la fosse
septique (VU/FS) et celui du dessus du plan d'eau,
avec 0,4 représentant la hauteur (en m) au dessus du
plan d'eau dans la FS. Il est donc défini par l'équation :
VT/FS(m3) = VU/FS + 0,4
× L × l (2.11)
La profondeur totale de la fosse septique
HT : Cette profondeur comprend la profondeur utile de la
fosse septique (VU/FS) et la hauteur (en m) du
dessus du plan d'eau dans la fosse septique. Elle est définie par
l'équation suivante :
HT = HU + 0,4 (2.12)
2.2 Évaluation du potentiel
2.2.1 Étude qualitative et quantitave
Pour une bonne évaluation des flux entrants dans la
fosse septique, il est nécessaire de maîtriser qualitativement et
quantitativement ces flux. Au Sénégal ces flux sont
constitués essentiellement des eaux usées domestiques. Par
ailleurs, les eaux usées domestiques sont généralement
classées en deux catégories suivant leurs provenances : eaux
usées ménagers et eaux vannes. La première
catégorie correspond aux eaux usées produites dans les douches,
lavabos et éviers de cuisine tandis que la deuxième concerne des
eaux vannes provenant des toilettes (contenant des excréments, urines,
...).
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FIGURE 2.4 - Répartition des eaux
usées [2]
Des études [25, 26] ont montréque les eaux
usées ont le plus grand rendement en terme du production de biogaz par
rapport aux autres substrats telque les bouses de vaches, les fientes de
volailles... Elle est composée environ 70 % méthane , 11% gaz
carbonique, et d'autres particules tel que acide sulfhydrique, oxygène,
azote et vapeur d'eau.
|
Substrats
|
Rendement moyen L/kg de
MS
|
|
Bouse de vaches
|
200
|
|
Crotin de cheveaux
|
200
|
|
Fientes de volailles
|
310
|
|
Fumiers de mouton
|
135
|
|
Eaux usées
|
340
|
Tableau 2.1 - Rendement de production de biogaz en fonction de
la nature du substrat
Le pouvoir calorifique d'un combustible est la
quantitéd'énergie dégagée par la combustion
complète d'une unitécombustible. On parle de PCI, le pouvoir
calorifique inférieur lorsque l'eau produite par la réaction
reste à l'état de vapeur.
Le PCI du méthane à 0 °C à
pression atmosphérique est de 9,94 kWh/m3. Pour le
biogaz, le PCI sera proportionnel à sa teneur en méthane, par
exemple, pour les eaux usées contenant environ 70% de méthane.
PCI = 9,94 × 0,7 = 6, 96
kWh/m3 (2.13)
La comparaison du pouvoir calorifique du biogaz avec les
autres combustibles permet d'établir les équivalents suivants
:
-- la combustion produit une quantitéde chaleur
équivalente à celle de 0,7 L de pétrole. -- 1
m3 de biogaz équivaut, du point de vue
énergétique, à 1,25 kWh [27].
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2.2.2 Détermination du volume produit
D'après le rapport de l'Office National Assainissement
du Sénégal(ONAS) [28], on estime la consommation
journalière d'eau à 90 L/hab pour les installations ANC.
Ce volume va être transforméen eaux ménagères et en
eaux de vannes.
Le taux de concentration en matière organique dans les
eaux usées est important pour la prévision du volume de biogaz
produit. Ce paramètre peut être déterminépar la
Demande Chimique en Oxygène (DCO). La DCO est la masse d'oxygène
nécessaire pour oxyder toute la matière organique et inorganique
contenue dans un échantillon. Sa variation à l'entrée et
à la sortie du digesteur permet d'évaluer son potentiel; on peut
aussi également utiliser la méthode de Carbone Organique
Total(COT). D'après la revue bibliographique il y a plusieurs
méthodes de calcul, finalement on a déduit pour un volume de 1
m3 d'eau usée on a 0,2
m3 de biogaz [29]. Le potentiel de
production de biogaz des eaux usées pour une ménage est
donnépar la relation suivante :
Van(m3)
= Um × E ×
Q24 × 365 (2.14)
Um : Nombre de personnes vivant dans la
maison.
Q24 : Consommation journalière
d'eau par individu.
E : Production spécifique de biogaz par
unitéde volume d'eau usée.
| 
