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Le temps de rétention hydraulique : Le TRH ou temps de rétention hydraulique (temps de séjour moyen des boues) est le principal paramètre de dimensionnement d’un digesteur. Il est généralement de l’ordre de 30 jours, ce qui est un compromis entre l’optimisation des performances de la dégradation de la matière organique et le volume du digesteur. Température : La digestion anaérobie de la matière organique ne produisant pas significativement de chaleur, il est nécessaire de chauffer les digesteurs pour maintenir une température compatible avec une bonne activité microbienne. Ce chauffage est assuré généralement en consommant une partie du méthane produit. Pour limiter cette autoconsommation, les opérateurs isolent thermiquement les digesteurs et préfèrent travailler en zone mésophile, c'est-à-dire dans un domaine de températures comprises entre 25 et 40°C. L'autoconsommation est alors de l'ordre de 15 à 25 % du méthane produit (la digestion anaérobie est le seul procédé de traitement des eaux usées qui permette de tirer parti du potentiel énergétique de la matière organique tout en préservant une large part de son potentiel fertilisant). Il est possible de travailler en zone thermophile, entre 45 et 55°C, pour accroître les vitesses de biodégradation, donc la productivité en méthane et réduire la taille des digesteurs. Cependant, cette approche exige une isolation thermique optimale, pour ne pas accroître l'autoconsommation, et est plus difficile à maîtriser. Dans tous les cas, les variations brutales de température (plus de 1°C en moins d'une journée) sont à éviter. pH : La zone optimale de pH pour la méthanisation est située aux alentours de la neutralité. Les bactéries méthanogènes sont fortement inhibées en dessous de 6. Les bactéries acidogènes supportent mieux les pH inférieurs à 6. Une chute de pH est donc le signe d'un dysfonctionnement. Dans la plupart des cas, le pH est auto-régulé dans le digesteur avec des valeurs optimales comprises entre 6,8 et 7,4 mais un ajout de bicarbonate de soude peut être nécessaire pour le maintenir. Charge organique entrante : Si le déchet est bien fermentiscible, il faut éviter les surcharges brutales (augmentation de plus de 20 % en moins d'une journée) qui risquent de déséquilibrer le processus et d'acidifier le milieu par suite d'une trop rapide production d'acides gras volatils. Pour les déchets de biomasse (dont la teneur en carbone de la matière organique est environ 50% de sa masse sèche), on obtient environ 1 Nm3 de biogaz par kilogramme de matière organique dégradée. Oxygénation et teneur en eau : L'oxygène est extrêmement toxique pour les bactéries anaérobies strictes (acétogènes et méthanogènes). Il est donc indispensable de protéger le milieu de toute entrée d'air. Une façon simple de procéder est de travailler en système noyé (saturé en eau) dans une cuve avec un ciel de faible volume. Les procédés de méthanisation sont donc spécialement adaptés pour les déchets très humides (teneur en eau supérieure à 80 %). Le digesteur, encore appelé fermenteur ou bioréacteur-anaérobie, est généralement constitué d’une cuve fermée, étanche à l’air et de préférence isolée thermiquement de l’extérieur dans laquelle les microorganismes se cotoient pour dégrader chimiquement et biologiquement les effluents organiques et produire du biogaz. Le choix du digesteur varie en fonction du type de déchets à traiter et de l’application visée. On peut également classer les digesteurs selon le mode d’alimentation : batch ou continu. On distingue plusieurs familles de procédés, avec des sous-familles et de très nombreuses variantes. Cependant la quasi-totalité des digesteurs d'effluents et boues industrielles sont des réacteurs à alimentation continue, que l'on classe par familles : Les digesteurs à cultures libres Ce sont les réacteurs les plus anciens et les plus simples. On distingue :
Un autre moyen d'augmenter la concentration bactérienne consiste à permettre aux microorganismes de se fixer sur des supports. On parle alors de systèmes à cultures fixées. On distingue :
Il est possible de trouver sur une ligne de traitement de digestion anaérobie un ou plusieurs digesteurs en série. Dans tous les cas est présent un premier digesteur, chauffé, brassé, où se déroule l’essentiel des phénomènes biologiques. Certaines stations sont équipées d’un digesteur « secondaire » (le premier est alors appelé « digesteur primaire ») non chauffé, brassé, avec récupération du biogaz résiduel. Fonctionnement des digesteurs Les digesteurs comportent un volume dans leur partie haute où les boues à digérer sont introduites depuis l’épaississeur par pompage. L’alimentation du digesteur (unique ou primaire) peut se faire par temporisation (alimentation semi-continue) ou en continu. Le mode d’extraction dépend de la configuration du système :
Forme des digesteurs Il existe plusieurs formes de digesteur. La plus répandue est caractérisée par un rapport hauteur sur diamètre environ égal à 1, un fond conique ( pour faciliter l’évacuation des sédiments) et un dôme conique ou bombé (pour résister à la pression). Les formes ovoïdes se sont développées pour les digesteurs de grande taille. On trouve des digesteurs « cylindriques » avec toit et fond plat. Les matériaux utilisés Les digesteurs sont généralement construits en béton avec une protection interne en résine époxy. Pour les digesteurs de grande taille, l’acier vitrifié s’avère souvent plus compétitif . Seule la zone de variation du niveau des boues est sujette à corrosion ; les parois en contact permanent avec les boues sont peu attaquées. Les canalisations sont construites de préférence en acier inox, notamment celles soumises à des risques de corrosion (canalisations biogaz). Les digesteurs sont isolés thermiquement, par 10 à 20 cm de laine de roche ou laine de verre. Brassage des boues C'est un point relativement délicat à maîtriser, car les matériels utilisés sont fortement sollicités et l'état physique du déchet (solide ou boueux) rend l'agitation difficile. Pour les déchets boueux, l'agitation doit permettre d'éviter la décantation de particules denses, tout en interdisant l'entrée d'air dans le digesteur. L'agitation peut être assurée par :
Le chauffage des digesteurs se fait par un circuit externe de re-circulation : les boues sont pompées depuis le fond du digesteur. Elles passent dans un échangeur « eau chaude / boues », puis retournent vers la bâche d’alimentation du digesteur où elles sont mélangées avec les boues fraîches, ce qui permet de réchauffer celles-ci et de les ensemencer en bactéries méthanogènes. Les échangeurs thermiques sont en général de type tubulaire, ce qui facilite leur entretien. Ils sont alimentés, à contre-courant, par l’eau chaude provenant d’une chaudière biogaz, ou du circuit de refroidissement d’un moteur biogaz (cogénération). Le stockage du gaz s’effectue :
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