grandes lignes dune formation en technologie du biogaz tenue a kigali du 13/05 au 18/06/2004...
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GRANDES LIGNES D’UNE FORMATION EN
TECHNOLOGIE DU BIOGAZ TENUE A KIGALI DU 13/05
AU 18/06/2004
Présenté par
NKURUNZIZA ThéonesteCentre de Recherche en Sciences Appliquées
PLAN DE L’EXPOSE0. Termes courants dans la technologie du biogaz.1. Introduction.
2. Théorie de la fermentation méthanique.
3. Dimensionnement et établissement de devis pour un digesteur continu type chinois.
4. Calcul des matériaux de construction.
5. Construction d’un digesteur continu type chinois.
6. Entretien d’un digesteur.
0. TERMES COURANTS DANS LA TECHNOLOGIE
1. Biomasse: - masse des êtres vivants animaux ou végétaux se trouvant sur un écosystème. - Déchets de ces êtres
2. Biométhanisation ou fermentation méthanique: processus biochimique complexe de dégradation de la biomasse en absence de l’oxygène.
3. Biogaz: mélange gazeux combustible composé essentiellement par 2 gaz: CH4 et CO2.
4. Digesteur ou biodigesteur: enceinte hermétique souvent souterraine où se déroule la biométhanisation.
5. Temps de rétention: temps maximal que la biomasse doit passer à l’intérieur d’un digesteur pour libérer le maximum de biogaz. 6. Effluent: liquide sortant du digesteur après la digestion de la biomasse.
7. Inoculum ou Starter: source de bactéries.
I. INTRODUCTION
1.1. ORGANISATEURS
- Ministère des Infrastructures / RWANDA
- Ministère de l’Agriculture / CHINE
1.2. FORMATEURS
Délégation chinoise comprenant:
- 2 Instructeurs- 2 Maçons- 1 Interprète
1.3. PARTICIPANTS
18 Participants comprenant:
- Délégués des Ministères- Délégués des Provinces- Délégués des Institutions de
Recherche et des Universités
1.4. OBJECTIF
Apprendre aux Rwandais la Technologie du BIOGAZ
1.5. RESULTATS ESCOMPTES
A la fin de la formation le formé devait être capable de:
- Comprendre et expliquer la théorie de la fermentation méthanique.- Dimensionner un digesteur et
établir son devis.- Construire un digesteur.
- Faire la maintenance d’un digesteur.
II. THEORIE DE LA FERMENTATIONMETHANIQUE
2.1. Matière première de la fermentation méthanique.
Selon l’origine on distingue:- Matière première rurale
• le chaume. • excréments des animaux. • excréments humains. • feuilles d’arbres et les herbes.- Matière première urbaine
• eaux usées urbaines et industrielles. • ordures ménagères. • excréments humains.
2.2. ETAPES DE LA FERMENTATION METHANIQUE
Elle se déroule en 3 étapes:a) Hydrolyse: en présence des bactéries non méthanogènes
Molécules complexes molécules simples
Polysaccharides monosaccharides
Exemples: Cellulose glucoseAmidon glucose
Protéines peptides & acides aminés
Lipides acides gras & glycérine
Enzymes extracellulaires
Cellulase
Amylase
Protéases
Lipases
b) Acidogénèse: bactéries méthanogène et bactéries non méthanogènes
Molécules solubles formées donnent les acides gras volatils et les alcools. L’acide gras prépondérants(80 %) est l’acide acétique. 70% de CH4 provient de l’acide acétique.
c) Méthanogénèse: bactéries méthanogènesMolécules volatiles méthane
CH3COOH CH4 + CO2
2 CH3CH2OH CH4 + 2 CH3COOHCO2 + 4H2 CH4 + 2H2O
2.3. CONDITIONS OPTIMALES POUR LA FERMENTATION METHANIQUE
a) Température: la gamme d’activité des bactéries s’étend de 10 – 60°C.L’intervalle de température optimale est de 33– 35°C.
b) pH: le pH optimal se trouve entre 6,8 – 7,5.
c) Le rapport C/N: le rapport optimal est de 20-30/1.
d) Concentration en matière sèche : M.S.
Pour un digesteur continu : 6 - 9 %.Pour un digesteur discontinu : 10 - 20 %.
e) DBO et DCO
- DBO 1000 mg/l et le taux d’élimination est de 75%- DCO 3000 mg/l et le taux d’élimination est de 70% f) Potentiel d’oxydoréduction
Il doit rester entre –300 et –600mVL’optimum est de –330mV
g) Inoculum
La quantité optimale est de 30% de la matière première à fermenter. Origine: boue d’égouts, d’étangs, des fosses des excréments, d’un digesteur en fonctionnement, l’eau des mares,…
2.4. UTILISATIONS DU BIOGAZ ET DES SOUS PRODUITS
Utilisations du biogaz- Cuisson- Source de chaleur dans les industries- Eclairage- Tourner les moteurs- Faire fonctionner les frigos
Utilisations de l’effluent
engrais de base - Comme engrais engrais additif
engrais pulvérisé sur les feuilles amender le sol
- Comme aliment d’animaux: cochons, poissons
- Comme insecticides: utilisé dans la conservation des semences.
culture sans sol - Comme engrais liquide culture des champignons
culture de jeunes plants
2.5. EPURATION DU BIOGAZ
DESHYDRATATION
- Par refroidissement des tuyaux- Par installation de trappe d’eau - Par absorption par les produits chimiques: CaCl2, LiCl, Silicagel, Alumine
DESULFURATION
On utilise l’oxyde de fer (III) hydraté.
Fe2O3.H2O + 3H2S Fe2S3.H2O + 3H2O
Au contact avec l’air, l’oxyde de fer est régénéré
Fe2S3.H2O + 3/2O2 Fe2O3.H2O + 3S
III. DIMENSIONNEMENT ET ETABLISSEMENT DE DEVIS POUR DIGESTEUR CONTINU TYPE CHINOIS
Forme
3 PARTIES: Chambre de chargement, Chambre de fermentation(digesteur) et, Chambre de déchargement.
3.1 Dimensionnement de la chambre de fermentation3 parties:
hauteur: f2
- radier rayon de courbure: r2
surface: s2
diamètre: Dd
- murs hauteur: Hsurface: Shauteur: f1
- dôme rayon de courbure: r1
surface: s1
Paramètre Symbole Formule Commentaire
Volume du digesteur
Vd nx(q+w)xRt
n = effectif de la populationq = quantité de matière première rejetée/jourw = eau de dilutionRt = temps de rétention(jours)
Diamètre du digesteur
Dd Vd -1/3
0,447
Rayon du digesteur
Rd Dd/2
Hauteur des murs
H Dd/2,5 Des rapports optimaux pour équilibrer les trois parties
Hauteur du dôme
f1 Dd/5
Hauteur du radier
f2 Dd/8
Rayon de courbure du dôme
r1Rd
2 + f12
2f1
Permettent de construire le dôme et le radier
Rayon de courbure du radier
r2Rd
2 + f22
2f2
Surface des murs
S 2 πRdH Ces surfaces permettent de calculer le volume de la maçonnerie (en multipliant par l’épaisseur) à partir duquel on établit le devis
Surface du dôme
s1 π ( Rd2 + f1
2 )
Surface du radier
s2 π ( Rd2 + f2
2 )
Volume des murs
V π Rd2 H
Vd = V + v1 + v2
= 0,447 Dd3
Volume du dôme
v1 π x f1 (3Rd2 + f1
2)
6
Volume du radier
v2 π x f2 (3Rd2 + f2
2)
6
3.2. Dimensionnement de la chambre d’évacuation ou chambre d’expansion ou chambre à pression hydraulique: Ve
Calculé suivant le rapport optimal
VdVe
Exemple:
Pour un digesteur de 8m3 , Ve = 2m3
= 4
IV. CALCUL DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION
ET ETABLISSEMENT DE DEVIS
- dimensions d’une brique1. Briques - volume de la maçonnerie
occupée par les briques
- ciment2. Béton - sable
- gravier ou galet - eau
3. Mortier4. Fer à béton
4.1. BriquesVolume de la maçonnerie (surface x épaisseur)Volume d’une brique (Lx lx h = 0,2 x 0,1 x 0,06)
4.2. Dosage du béton
ETAPES: - la résistance du ciment Rc. - le rapport eau/ciment noté W/C. - la quantité d’eau W. - la quantité du ciment C. - le pourcentage du sable.
- la quantité du sable et du gravier.
a) Résistance du ciment Rc
Rc = 1,13Rcb où Rc
b = N° du ciment(marqué sur le sac)
b) Rapport W/C
W/C = 0,46 Rc / ( Rh + 0,2392 Rc ): pour le gravier
W/C = 0,48 Rc / ( Rh + 0,2928 Rc ): pour le galet
où Rh = résistance du béton après 28 jours. Rh = Rs + σ0
Rs = résistance du béton σ0 = valeur expérimentale pour
avoir une bonne résistance
Rs 100 - 200 250 - 400 500 - 600
σ0
40 50 60
Pour les digesteurs, on considère souvent Rs = 200
c) Quantité d'eau W0
Elle dépend du degré d'effondrement du béton et du diamètre du gravier ou du galet
Quantité d'eau (en Kg) / m3 de béton
Effondrement(mm)
Diamètre maximal du gravier (mm)
Diamètre maximal du galet (mm)
10 20 40 10 20 40
10-20 205 185 170 190 170 160
30-50 215 195 180 200 180 170
60-80 225 205 190 210 190 180
90-120 235 215 200 215 195 185
Le degré d'effondrement admissible est:
10-30 mm pour dôme et radier50-80 mm pour les murs
d) Ciment C0
C0 = C/W x W0
e) Pourcentage du Sable Rapport W/C
Diamètre max. du gravier Diamètre max. galet
10 20 40 10 20 40
0,40 30-35 29-34 27-32 26-32 25-31 24-30
0,50 33-38 32-37 30-35 30-35 29-34 28-33
0,60 36-41 35-40 33-38 33-38 32-37 31-36
0,70 38-44 38-43 36-41 36-41 35-40 34-39
Calcul de la quantité de sable et de gravier
Le système d’équation:
C0+ G0+ S0 + W0 = υh
S0 / ( S0 + G0 ) x 100 = S%
C0 = poids du ciment G0 = poids du gravier
S0 = poids du sable W0 = poids de l’eau υh = poids spécifique du béton ≃ 2400 Kg / m3
4.3. Mortier: pour l’élévation et le crépissage
- Ciment- Sable- Liant ( facultatif)- Eau
Le numéro (résistance) du mortier pour les digesteur est en général de M50 ou M75
Dosage ciment/sable = 1:2,5 Rapport W/C = 0,7
4.5. Fers à béton: pour les couvercles
- La dimension des couvercles- L’espacement est de 20 cm
V. CONSTRUCTIONComprend ces étapes:1. Piquetage: pour déterminer le centre du digesteur2. Creusement3. Coulage du béton du radier4. Elévation des mûrs et fixation du tuyau d’entrée5. Construction du dôme6. Construction du bassin de sortie7. Crépissage interne de l’ensemble: 2 couches de 2cm d’épaisseur chacune8. Crépissage externe du dôme9. Lissage interne avec le lait de ciment: 7 couches10. Fabrication des couvercles11. Fixation des couvercles et test d’étanchéité
VI. ENTRETIEN DU DUGESTEUR
Les problèmes courants sont: les fissures, les fuites, la pression très faible, la pression très élevée.peuvent être liés:- Aux matériaux de construction utilisés.
- Au mauvais dosage des matières premières.
- Au mauvais dosage dans la construction.
- A la nature du sol.
- Aux utilisations inadéquates du biogaz.
SOLUTIONS
1. En cas de fuite: localiser la fuite, nettoyer et appliquer le lait de ciment.
2. En cas de pression faible: soupçonner une fuite, sinon concentrer la matière première.
3. En cas de pression trop élevée: bouchage éventuel des conduite par l’eau condensée,
sinon sous exploitation du biogaz.
ConclusionLa formation nous a permis de:- Nous familiariser avec la théorie de biométhanisation.- Connaître comment dimensionner un digesteur de n’importe quelle taille.- Etablir les devis des digesteurs.- Apprendre à construire des digesteurs de type familial: au cours de notre formation nous avons construit un digesteur de 8 m3 à Rugende. - Connaître le matériel moderne du biogaz: allumeurs électronique pour lampes, réchauds à biogaz avec allumeurs, manomètres appropriés,etc.
Pour tout contact
NKURUNZIZA Théoneste
I.R.S.T
Centre de Recherche en Sciences Appliquées
B.P 227-BUTARE
Tel: + 250 530476
Mob: + 250 08487155
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