T.4 Biodigesteur (réacteur à biogaz)

Un biodigesteur ou réacteur à biogaz permet de traiter différentes sortes d’eaux usées. Il s’agit d’une technologie de traitement anaérobie qui produit une boue digérée (digestat) pouvant être utilisée comme engrais et du biogaz pouvant être valorisé en énergie. Le biogaz est un mélange de méthane, de dioxyde de carbone et d’autres gaz à l’état de traces qui peuvent être convertis en chaleur, en électricité ou en lumière D.7 .

Un biodigesteur est constitué d’un réservoir étanche à l’air qui facilite la dégradation anaérobie des eaux noires, des boues et/ou des déchets biodégradables. Les produits entrants y sont biologiquement dégradés dans une couche de boues activées. Les boues digérées sont évacuées via un exutoire de débordement au niveau du sol. Le réservoir sert également à recueillir le biogaz produit en raison du processus de fermentation qui a lieu dans le réacteur. Le digestat est riche en matières organiques et en nutriments, et il est relativement facile à assécher et à manipuler.

Considérations sur la conception

Il existe deux modèles de biodigesteurs, l’un à dôme fixe et l’autre à dôme flottant. Dans le dôme fixe, le volume du digesteur est constant. Au fur et à mesure que le gaz est généré, il exerce une pression et déplace la boue vers le haut dans une chambre d’expansion. En ouvrant la vanne de la conduite de biogaz, le gaz sous pression s’échappe et la boue remonte dans le digesteur. Dans un digesteur à dôme flottant, le dôme monte et descend avec la production et le retrait de gaz. Le dôme peut aussi se dilater (comme un ballon). Le temps de rétention hydraulique (TRH) dans le réacteur doit être au minimum de 15 jours dans les climats chauds, de 25 jours dans les climats tempérés et de 60 jours dans le cas d’eaux usées hautement pathogènes. Le volume du réacteur peut varier entre 1 000 L pour une seule famille et jusqu’à 100 000 L pour des toilettes institutionnelles ou publiques. Comme la production de digestat est continue, des dispositions doivent être prises pour son stockage, son utilisation et/ou son transport hors du site.

Matériaux

La construction d’un biodigesteur nécessite des matériaux tels que des briques, du ciment, de l’acier, du sable, du grillage pour la résistance structurelle (par exemple du grillage à poule), un additif pour étanchéifier le ciment, des tuyaux et des raccords, une vanne et un tuyau de sortie préfabriqué pour le gaz. Les modèles préfabriqués commercialisés sont notamment les sacs géotextiles et des modules en plastique renforcé de fibres de verre.

Contexte

Cette technologie convient au traitement des eaux usées domestiques et institutionnelles (hôpitaux et écoles par exemple). Elle ne convient pas à la phase de réponse aiguë d’une urgence, en raison du temps nécessaire au démarrage du processus biologique. Elle est particulièrement appropriée dans les zones rurales où l’on peut ajouter du fumier animal et où le digestat peut être utilisé comme fertilisant et le gaz pour la cuisine. Les biodigesteurs peuvent également être utilisés pour stabiliser les boues des fosses de latrines S.3 et S.4 . Ils sont souvent employés comme une solution alternative aux fosses septiques S.13 car ils assurent un niveau de traitement similaire, avec le bénéfice additionnel du biogaz. Toutefois, il est impossible d’obtenir une production suffisante de gaz en utilisant uniquement des eaux noires ou si la température ambiante est inférieure à 15 °C. Les eaux grises ne doivent pas être ajoutées car elles réduisent considérablement le TRH. Les biodigesteurs sont moins appropriés pour les climats plus froids du fait du taux de conversion moindre de la matière organique en biogaz, ce qui nécessite une augmentation du TRH et du volume nominal du dispositif. Même si les réacteurs à biogaz sont conçus de façon étanche, il est déconseillé de les installer dans des zones où le niveau de la nappe phréatique est élevé ou en cas d’inondations fréquentes.

Fonctionnement et entretien

Pour démarrer le réacteur, il faut l’inoculer avec des bactéries anaérobies, par exemple en ajoutant de la bouse de vache ou des boues de fosse septique. Le digestat doit être fréquemment retiré du trop-plein, à une fréquence qui dépend du volume de la fosse par rapport à l’apport de matières solides, de la quantité de matières non-digérables, de la température ambiante ainsi que de l’utilisation et des caractéristiques du système. La pression du gaz doit être surveillée et celui-ci utilisé régulièrement. Les purgeurs doivent être vérifiés périodiquement et les vannes et les conduites de gaz doivent être nettoyées afin de prévenir la corrosion et les fuites. En fonction de la conception et des intrants, le réacteur doit être vidé et nettoyé tous les 5 à 10 ans.

Santé et sécurité

Le digestat est partiellement hygiénisé mais il présente toujours un risque de contamination. Les opérateurs doivent donc être munis d’un équipement de protection individuelle adéquat pour toute opération ainsi que pour la vidange des digestats et le nettoyage du réacteur. En fonction de leur utilisation finale, le liquide et les boues vidangées doivent subir un traitement supplémentaire, en particulier s’il s’agit d’une valorisation agricole. Les gaz produits dans le réacteur sont inflammables, comme le gaz naturel, ce qui constitue également un risque.

Coûts

Il s’agit d’une technologie dont le coût est faible à moyen, tant en termes d’investissement que de fonctionnement. Les coûts de fonctionnement et d’entretien quotidien doivent être pris en compte. Les installations communautaires tendent à être plus viables économiquement, pour autant qu’elles soient socialement acceptées. Il est également important de budgétiser les dépenses de formation des opérateurs et des utilisateurs.

Aspects sociaux

L’acceptation sociale peut être problématique pour les communautés qui ne sont pas familières avec l’utilisation du biogaz ou du digestat. Une cohésion sociale peut être créée autour de la gestion commune et du partage des bénéfices (gaz et engrais). Il existe cependant un risque que les bénéfices soient inégalement répartis entre les utilisateurs, ce qui peut entraîner des conflits.

Critères de décision clés

Produits entrants

Eaux noires
Excreta
Matières organiques

Produits sortants

Biogaz
Boues

Phase d'urgence

Stabilisation +
Relèvement + +

Caractéristiques des sols

Contraignantes

Niveau d’application

Ménage +
Voisinage + +
Ville + +

Avec et sans usage d’eau

à base d'eau et sèche

Niveau de gestion

Ménage + +
Partagé + +
Public + +

Complexité technique

Moyenne

Espace requis

Moyen

Objectifs et caractéristiques clés

Stabilisation des boues. Récupération du biogaz.

Forces et faiblesses

  • Réduction des coûts de gestion des déchets ménagers (matières organiques) et des coûts de transport des boues de vidange
  • Génération de produits valorisables - gaz et engrais
  • Longue durée de vie (robuste)
  • Nécessite l’intervention de personnel qualifié pour la conception et la construction
  • Le processus n’élimine que partiellement les agents pathogènes, entraînant un besoin potentiel de traitement supplémentaire du digestat
  • Production de gaz limitée en dessous de 15°C et en utilisant uniquement des eaux noires
  • Coût d’investissement moyen
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