Les bases de la production de biogaz

La production de biogaz dans l'agriculture et les stations d'épuration municipales se fait par la fermentation anaérobie de la biomasse organique dans les fermenteurs ou les digesteurs. En tant que substrats bruts, on utilise à la fois des déchets tels que des boues digérées provenant de la clarification aérobie, du fumier et des particules alimentaires ainsi que des cultures énergétiques spécialement cultivées telles que le maïs et presque toutes les combinaisons des substrats susmentionnés et autres. L'utilisation de la biomasse se fait généralement par fermentation humide dans les fermenteurs. Dans le cas de substrats à haute teneur en énergie, ceux-ci sont réalisés dans des systèmes à plusieurs étages afin de réduire la décharge de fractions partielles qui restent dans l'installation de biogaz pendant une courte période.

Les résidus de fermentation d'origine agricole sont ensuite appliqués comme engrais. Si le résidu de fermentation est constitué de boues d'épuration, les résidus sont brûlés ou utilisés comme engrais. Ce dernier présuppose que les exigences de l'Ordonnance sur les boues d'épuration sont respectées (M. Koch, 2009). Dans les deux formes d'utilisation, l'égouttabilité du digestat est d'une importance considérable pour réduire les coûts de transport et d'élimination. Ceci est largement déterminé par le degré de biodégradation (Hafkesbrink, 2006).

Utilisation anaérobie de la biomasse 

La dégradation anaérobie du substrat dans les installations de biogaz en méthane et en dioxyde de carbone est divisée en quatre étapes, qui se déroulent en parallèle dans un fermenteur. Dans la première étape, l'hydrolyse, les macromolécules polymériques de la biomasse utilisées telles que les carbohydrates, les protéines et les graisses sont décomposées par les microorganismes formés par les exoenzymes telles que les amylases, protéases et lipases en oligomères et monomères utiles. Dans la phase d'acidogenèse ou d'acidification ultérieure, les microorganismes acidogènes convertissent les produits de l'hydrolyse en acides gras inférieurs et en acides carboxyliques supplémentaires tels que l'acide butyrique et propionique et les alcools inférieurs et en sous-produits le sulfure d'hydrogène et l'ammoniac.

En outre, il se forme de l'hydrogène qui est nécessaire dans la phase de formation de méthane. Les acides gras et carboxyliques et les alcools inférieurs sont ensuite mis à réagir dans l'acétogénèse ou la phase acétique subséquente en acide acétique. La dernière étape est la phase de méthanogenèse ou de formation de méthane, dans laquelle l'acide acétique précédemment formé est divisé en méthane et en dioxyde de carbone. Une autre voie de réaction est la conversion de l'hydrogène et du dioxyde de carbone en méthane. Dans les installations de production de biogaz agricole, l'hydrolyse est décrite comme l'étape limitant la biodégradation (Eder, 2004).

Diese kann durch Beschallung unterstützt werden. Dabei werden die Zellwände zerstört oder perforiert, was zu einer Erhöhung der Abgabe von notwendigen Enzymen wie Proteasen, Lipasen und Amylasen führt. Gleichzeitig wird der biologische Abbau durch die mechanische Zerkleinerung des Substrates und die daraus resultierende Vergrößerung der Oberfläche beschleunigt (Eder 2004).

Cela peut être pris en charge par la sonification. Les parois cellulaires sont détruites ou perforées, ce qui conduit à une augmentation de la libération des enzymes nécessaires telles que les protéases, les lipases et les amylases. Dans le même temps, la biodégradation est accélérée par la fragmentation mécanique du substrat et l'élargissement de la surface qui en résulte (Eder 2004).

Le taux de production de gaz d'un substrat de biogaz diminue continuellement au cours de la fermentation en raison de la réduction de la teneur en nutriments. Pour une utilisation optimale du potentiel de production, des temps de séjour très longs du substrat dans le fermenteur sont donc nécessaires (Eder, 2004). Le temps de séjour hydraulique du substrat dans le système discontinu est défini par la quantité de substrat ajoutée dans une période définie par rapport au volume du fermenteur. La taille du fermenteur limite le temps de séjour hydraulique, ce qui conduit à une sous-utilisation du potentiel théorique de biogaz de la biomasse utilisée.

La détermination du temps de séjour hydraulique dans le fermenteur est influencée par le rapport entre les coûts du substrat ou les coûts d'élimination des déchets et les coûts d'investissement et d'exploitation du fermenteur. Selon le substrat utilisé, le temps de séjour optimal dans les installations de biogaz agricole est de 30 à 50 jours (FNR, 2005) et dans les stations d'épuration municipales de 15 à 20 jours (Appels, 2008). Des agitateurs puissants sont utilisés dans les fermenteurs de plantes de biogaz agricoles pour une utilisation optimale du temps de séjour limité, qui mélangent le substrat fraîchement introduit avec le contenu du fermenteur et transmettent la décharge du biogaz.

Un mélange inadéquat peut conduire à la formation de couches flottantes et coulées stables, ce qui peut entraîner un gonflement et une destruction subséquente de la couverture du fermenteur (Bilitewski, 2000). Les boues excédentaires des stations d'épuration municipales ont une teneur en matière sèche inférieure. En conséquence, les systèmes de pompe de circulation sont généralement utilisés pour mélanger les digesteurs (Melde, 2007).

Désintégration par ultrasons

Pour augmenter le rendement en biogaz des substrats utilisés pour le même temps de séjour, le taux de dégradation dans le fermenteur doit être augmenté. Cela peut être fait par une digestion améliorée de la biomasse au moyen d'une fragmentation mécanique. Il est appelé désintégration et implique la dissolution mécanique, thermique, chimique ou biologique des flocons de boue. En outre, un apport d'énergie plus élevé détruit les enveloppes cellulaires et libère les substances intracellulaires, ce qui favorise en outre la biodégradation (Eder, 2004).

De plus, un effet positif de désintégration sur les propriétés rhéologiques de la suspension de fermentation a été observé par (Pham et al., 2008) (Faust, 1994), ce qui conduit à une réduction de l'énergie électrique nécessaire pour les pompes et agitateurs. Pour la désintégration mécanique des substrats de biogaz, des broyeurs à boulets, des homogénéisateurs à espace de cisaillement, des homogénéisateurs à haute pression et des centrifugeuses à lyse ont déjà été utilisés avec succès. Cependant, ces méthodes nécessitent des coûts d'entretien et d'énergie élevés, ce qui n'est pas encore économique par rapport aux rendements excédentaires réalisables. La désintégration thermique qui nécessite un chauffage du substrat jusqu'à 120 ° C, pourrait également n'aboutir à aucun bilan énergétique positif (Müller, 1998).

Dans le domaine de la gestion des eaux usées, l'influence positive de la désintégration des boues d'épuration a été démontrée avec des taux d'augmentation du rendement en biogaz allant jusqu'à 25% (Faust, 1994).

La désintégration des substrats agricoles pour augmenter le rendement en biogaz a été de plus en plus réalisée au moyen d'ultrasons (Elbeshbishy, 2009) (Schröder, 2012).

Le système à ultrasons US 1 développé par BANDELIN permet la désintégration de grandes quantités de substrat dans des installations de biogaz au moyen de réacteurs tubulaires à haute performance et donc le transfert des résultats de la recherche vers une utilisation à grande échelle.

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