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

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Tel: + 250 530476

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