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"Sous la responsabilité de son auteur"

Hervé VAILLANT - bureau 320 - poste 6607
8 octobre 2001


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 Traitements d'effluents industriels  Mais avant...?

 

Valorisation du biogaz d'un C.E.T.

Hervé Vaillant, Konrad Szafnicki, Pascal Formisyn

Partenaire industriel : SATROD

La gestion des déchets est un problème croissant dans notre société. La politique environnementale actuelle oblige, lorsque cela est possible, à recycler ou à valoriser nos déchets. Si le recyclage ou la valorisation ne sont pas possibles, une des alternatives envisageables est la mise en décharge dans un Centre d'Enfouissement Technique (C.E.T.). Les C.E.T. de classe II acceptent les ordures ménagères et les déchets industriels banals. Ces C.E.T doivent permettre la mise en décharge en toute sécurité et en respectant l'environnement. Or les déchets admis en C.E.T. de classe II contiennent une quantité importante de matières organiques biodégradables. La dégradation de cette matière organique aboutit à la formation de méthane et de dioxyde de carbone qui constituent ce que l'on appelle le biogaz. Celui-ci est récupéré sur le site, via un réseau de collecte constitué de nombreux puits, avant d'être incinéré ou valorisé par la production d'électricité. Afin d'optimiser la récupération du biogaz, chacun des puits de collecte fait l'objet d'un réglage particulier.

L'objectif de l'étude est la mise au point d'un outil informatique de visualisation et de traitement, spatiaux et dynamiques, des données " biogaz " pour le C.E.T. du Vallon de Borde-Matin de la SATROD. Les données à prendre en compte sont les teneurs relatives en méthane, en dioxyde de carbone et en oxygène, ainsi que la dépression appliquée, recueillies au niveau des puits du réseau de récupération du biogaz.

Les centres d'enfouissement technique

Aujourd'hui, prés de 60% des déchets ménagers et assimilés (26 millions de tonnes en 1995) sont mis en décharge (ADEME, 1995 ; ADEME, 1998). Un C.E.T. est une installation d'élimination complète, comportant tous les équipements nécessaires pour placer les déchets de manière conforme aux exigences techniques actuelles, notamment en ce qui concerne l'évacuation des gaz et des eaux de percolation. Il existe en France trois types de décharges définis par les circulaires du 22 janvier 1980 et du 16 octobre 1984, en fonction de la perméabilité de la couche géologique située immédiatement sous elles. A ces différents sites correspondent différents types de déchets susceptibles d'y être enfouis :

- classe 1 : ils sont destinés à accueillir les déchets industriels spéciaux parmi lesquels des déchets dangereux. Ils font l'objet d'une préparation et d'une conduite très stricte et les conditions de stockage sont réputées parfaites,
- classe 2 : ils sont réservés aux ordures ménagères et aux déchets industriels banals assimilés aux ordures ménagères à cause de leur faible toxicité,
- classe 3 : ce sont des sites réservés aux déchets inertes tels que gravats de démolition, déchets minéraux issus des activités extractives, remblais et autres.

Formation du biogaz

Les ordures ménagères déposées en décharge sont le siège d'une activité microbienne intense dont l'une des conséquences est la transformation des matières organiques en produit gazeux par fermentation anaérobie.
Les ordures ménagères brutes contiennent de 50 à 70% de matières organiques fermentescibles dont les 2/3 sont facilement biodégradables. Cette dégradation aboutit à la formation d'un gaz appelé "biogaz" composé principalement d'environ 55% de méthane (CH4) et de 45% de dioxyde de carbone (CO2). On y trouve également à l'état de traces des composés soufrés : hydrogène sulfuré (H2S) et mercaptans (R-SH), des aldéhydes et des cétones, des composés azotés basiques (aminés), et des acides organiques.
Dans une décharge contrôlée, les processus de décomposition biologique se déroulent en cinq étapes : une brève phase de décomposition aérobie, puis quatre phases anaérobies : hydrolyse de la matière organique, acidogénèse, acétogénèse et méthanogénèse qui entraîne la production de méthane (figure 1).

Phase aérobie
Cette phase de transformation se caractérise par une oxydation de la matière organique et par une forte augmentation de la température des déchets de l'ordre de 60°C. Après quelques jours de mise en dépôt, on constate la formation d'un mélange gazeux composé de gaz carbonique, d'ammoniac et d'eau.

Phase anaérobie
Une classe de micro-organismes agissant en symbiose va effectuer la fermentation méthanique dans laquelle une partie de la matière organique est oxydée en CO2, tandis qu'une autre est réduite en CH4 par la voie méthanique (Parvaresh, 1984). En favorisant cette fermentation méthanique, on peut donc atteindre deux objectifs particulièrement intéressants :

- dépolluer en réduisant le volume des déchets organiques et en les stabilisant,
- produire du biogaz renfermant 50 à 70% de méthane valorisable.

 

Hydrolyse de la matière organique

La matière organique complexe est attaquée par un premier groupe de bactéries dites hydrolytiques qui cassent ces molécules se constituant en longues chaînes répétitives (polymères) en les décomposant en acides aminés, acide gras, sucres, etc...


Acidogénèse

Les monomères obtenus après la phase d'hydrolyse sont transformés par les bactéries acidogènes en acides gras volatils (ac. acétique, ac. propionique, ac. butyrique, ac. valérique) ou en alcools inférieurs en faible quantité (Kubiak, 1980 ; Parvaresh, 1984).


Acétogénèse

Les produits de la phase acidogène sont convertis par les bactéries homoacétogéniques en acétate, formate, H2 et CO2 qui sont les précurseurs du méthane.


Méthanogénèse

Deux voies simultanées de production de méthane sont possibles, l'une directement à partir d'acétate ou de méthanol (acétoclastie), l'autre par réduction de l'ion bicarbonate HCO3- par l'hydrogène produit lors des étapes précédentes (Finck, 1983).

De nombreux facteurs étroitement liés entre eux affectent la production de biogaz. Les variations de ces facteurs rendent la production de biogaz très difficile à prévoir. De nombreuses études ont été menées pour déterminer l'influence des différents facteurs sur la production de biogaz et il en ressort huit facteurs principaux : l'humidité contenue au sein des déchets (Sulfita et al, 1992 ; Gurijala et Sulfita, 1993), le pH du milieu (Barlaz et al, 1989 ; Finck, 1983), la température des déchets (Rettenberg et Tabasaran, 1980 ; Demeyer, 1981 ; Pfeffer, 1974 ; Stegmann, 1986), le type de déchets, leur densité (Garrido et Leroy, 1986), les modes opératoires du site, le substrat (nutriments) (Baron, 1981 ; Jones, 1984) et le potentiel rédox (Finck, 1983).

La cinétique de dégradation de la matière organique peut être très différente selon les conditions. De même, la durée de dégradation peut fortement varier :
- d'une dizaine de jours en digesteur dans des conditions optimales parfaitement contrôlées avec une biomasse bien adaptée,
- à plusieurs mois, voire plusieurs années, dans des conditions moins propices, comme dans le cas des décharges contrôlées.

Outils réalisés

Les outils développés se donnent pour objectifs essentiels de permettre de :
1- visualiser les données acquises in situ, avec la possibilité de mettre en avant différents aspects quantitatifs (teneurs en CH4, CO2, O2…, dépression appliquée), qualitatifs (rapport CH4/CO2) et/ou dynamiques (évolution des mesures dans le temps et l'espace),
2- acquérir sur site des nouvelles mesures et permettre leur archivage et/ou exploitation ultérieurs.

Conclusion

L'outil implanté sur le site de la SATROD permet une meilleure gestion de la production et de l'exploitation du biogaz, grâce par exemple à la possibilité de visualiser simplement et rapidement les puits où la production du biogaz est anormale. La SATROD est donc en mesure de gérer plus efficacement son réseau de collecte. L'outil permet également d'augmenter la rapidité d'intervention sur le réseau. Cette maîtrise de la production est aujourd'hui indispensable pour une gestion optimale du site, afin de fournir une qualité constante de biogaz, indispensable à sa valorisation efficace.

Bibliographie

ADEME (1995) Sixième inventaire des installations de traitement, de transit ou de mise en décharge des déchets ménagers et assimilés en France, Etude ADEME, Technique Sciences et Méthodes (TSM) hors série 1995.

ADEME (1998) Déchets municipaux : les chiffres clés, n° 2920, février 1998, 11 p.

Barlaz M.A., Milke M.V., and Ham R.K. (1987) Gaz productions parameters in sanitary lanfill simulators, Waste Management & Research, 5, 27-39.

Baron, J.L. et al. (1981) in Landfill methane utilisation workbook, Johns Hopkins University for U.S. department of Energy, Laurel, Maryland, 131p.

Demeyer A., Jacob F., Jay M., Menguy and Perrier J. (1981) La conversion bioénergétique du rayonnement solaire et les biotechnologies, Ed. Technique et documentation, 213-249.

Finck J.D. (1983) Identification et évaluation des potentialités des systèmes microbiens méthanogènes, Thèse Docteur-Ingénieur, INSA Toulouse.

Rémédiation des sols pollués

Etat de l'art sur les méthodes existantes de simulation et de prévision de la migration des polluants dans les sols et plus particulièrement pour les sols non saturés.

Hervé Vaillant, Jacques Bourgois

Partenaire : LAEPSI (INSA Lyon), Association RECORD


La modélisation, en permettant la simulation du devenir des polluants dans les sols peut constituer un outil d'aide à la décision, soit en vue de la prévention de la pollution de la ressource ou de la réparation de nuisances déjà existantes.
Dans cette étude, nous présentons dans un premier temps l'état de l'art sur la modélisation de transfert de polluants dans les sols. Nous abordons ensuite les principaux outils existants sur le marché à l'heure actuelle, et les principaux organismes et laboratoires travaillant dans ce domaine, en France tout particulièrement.
A l'issue de cette étude, il est possible de dégager les principales questions et les problèmes qui restent posés concernant la modélisation du transport des polluants dans les sols et qui pourront faire l'objet d'études ultérieures.

 

Application de l'outil RACES (Remedial Alternative Classification and Evaluation System) aux techniques biologiques de rémédiation des sols et sites pollués.

Hervé Vaillant, Pascal Formisyn

Traitement d'effluents industriels

Hervé Vaillant, Jacques Bourgois

Partenaire industriel : USF ASTRE

- Traitement d'effluents industriels - Valorisation de déchets.
Le but de cette étude a pour but d'optimiser un procédé de traitement d'effluents industriels.

- Traitement d'effluents industriels.
Le but de cette étude consiste à comparer deux techniques de traitement d'effluents de ressuage.

ACTIVITE CONTRACTUELLE :

2000 - Système de Surveillance et de Gestion d'un réseau de collecte de bioGaz (2).

H. Vaillant, K. Szafnicki, P. Formisyn ; partenaire : SATROD.

1998-1999 - Système de Surveillance et de Gestion d'un réseau de collecte de bioGaz (1).

H. Vaillant, K. Szafnicki, P. Formisyn ; partenaire : SATROD.

1998 - Technologie de traitement d'effluents industriels (2).

H. Vaillant, J. Bourgois ; partenaire : USF ASTRE.

1997 - Technologie de traitement d'effluents industriels (1).

H. Vaillant, J. Bourgois ; partenaire : USF ASTRE.

1996 - Etat de l'art sur les méthodes existantes de simulation et de prévision de la migration des polluants dans les sols

et plus particulièrement pour les sols non saturés.

H. Vaillant, J. Bourgois ; partenaires : association RECORD, INSA Lyon.

1993-1995 - Sélection de souches et étude du métabolime des bactéries lactiques du vin.

H. Vaillant, P.Formisyn ; partenaires : Fondation Rhône-Alpes Futur, L.E.A.C.M. de la faculté de pharmacie de Lyon.

1990-1992 - Réacteur à enzyme malolactique.

P. Formisyn, H. Vaillant ; partenaire : Fondation Rhône-Alpes Futur


Mes anciennes activités de recherche à l'Ecole des mines

Etude du dysfonctionnement d'une station d'épuration biologique.


Ce thème de recherche concerne l'épuration des eaux usées par un procédé biologique. Ce projet consiste à modéliser le développement de bactéries filamenteuses afin de réduire les dysfonctionnements induits par la prolifération de ces organismes filamenteux (phénomène de "bulking"). Ce travail consiste à améliorer le contrôle en temps réel des stations de traitement. Notre approche pour la modélisation est basée sur la détermination de la croissance des bactéries filamenteuses au moyen de l'analyse d'image et peut conduire à un système fondé sur une base de connaissances. Une perspective intéressante consisterait à intégrer un module "bulking" à un logiciel de simulation de station d'épuration biologique.

La fermentation malolactique des vins (FML)

- Etude du métabolisme de l'acide malique par les bactéries lactiques du vin à l'aide d'acide malique marqué au 13C en collaboration avec la fondation Rhône-Alpes Futur et le LEACM de la faculté de Pharmacie de Lyon.

- Mise au point d'une méthodologie d'évaluation de l'aptitude de bactéries lactiques à réaliser la fermentation malolactique des vins.
La capacité de bactéries lactiques à réaliser la fermentation malolactique dépend de nombreux facteurs présents dans les vins. Une matrice d'Hadamard et un plan factoriel fractionnaire ont été utilisés pour déterminer les principaux effets de 11 facteurs physico-chimiques sur l'activité malolactique de trois souches de Leuconostoc œnos et une souche de Lactobacillus plantarum. L'éthanol a l'effet inhibiteur le plus important sur l'achèvement de la fermentation malolactique par les souches de Leuconostoc œnos. Nous trouvons également un effet inhibiteur de l'acide L-malique dans nos conditions opératoires. Ces souches présentent également différents degrés de sensibilité vis-à-vis du pH. Une de ces souches a été inhibée par le SO2. L'activité malolactique de la souche Lactobacillus plantarum est principalement affectée par un pH acide, et cette souche est souvent moins efficace que les souches de Leuconostoc œnos. Ainsi, nos résultats confirment les observations effectuées dans les vins à l'ITV de Beaune, et de plus, nous montrons que cette méthode multifactorielle permet d'évaluer l'influence des principaux facteurs du vin sur l'aptitude de bactéries lactiques à réaliser la fermentation malolactique. D'autres travaux, basés sur cette méthodologie, pourraient aboutir à une méthode de sélection de souches pour les starters malolactiques.

- La fermentation malolactique des vins est la deuxième fermentation du vin et intervient après la fermentation alcoolique. Cette transformation de l'acide malique en acide lactique, avec dégagement de gaz carbonique, se produit sous l'action de bactéries lactiques (Leuconostoc, Lactobacillus,...) et plus particulièrement de l'enzyme malolactique. Cette fermentation, spontanée dans le vin, permet d'abaisser l'acidité des vins. Elle se produit cependant de manière aléatoire. Nous avons donc développé au laboratoire un réacteur pilote à enzyme malolactique lors d'une étude de faisabilité industrielle. La production de l'enzyme malolactique, sa purification, sa caractérisation et sa viabilité dans un système in vitro ont été étudiées.
Le réacteur mis au point n'a pas encore montré de faisabilité industrielle. Aussi, et afin de mieux comprendre les réactions mises en jeu, avons-nous poursuivi les travaux sur le métabolisme proprement dit des bactéries lactiques du vin par la mesure de l'abondance relative de l'isotope 13C par spectrométrie de masse isotopique.

 

Mise au point de capteurs enzymatiques

(notamment à butyrylcholinesterase) pour l'évaluation de la toxicité d'eaux usées. Essais d'inhibition par des pesticides.