Les usines de traitement des eaux usées adoptent le biogaz pour l'énergie renouvelable

Imaginez une station d'épuration qui non seulement purifie les eaux usées, mais génère également sa propre énergie, devenant même un fournisseur d'électricité local. Cela pourrait ressembler à de la science-fiction, mais cette vision est en train de devenir rapidement une réalité.

À l'échelle mondiale, les procédés mécaniques et biologiques dominent le traitement des eaux usées urbaines. Bien que les installations modernes éliminent efficacement les contaminants, elles produisent un sous-produit souvent négligé : les boues. Ce résidu modeste recèle cependant un immense potentiel énergétique et de biomasse. Pour exploiter sa valeur, les boues doivent d'abord subir un traitement pour éliminer plus de 95 % de leur teneur en eau, les polluants, les agents pathogènes et les odeurs.

Un traitement efficace des boues doit répondre à plusieurs normes environnementales et opérationnelles critiques :

• Rentabilité : Équilibrer les investissements et les dépenses opérationnelles.
• Optimisation énergétique : Minimiser la consommation tout en maximisant l'énergie auto-générée.
• Réduction du volume : Diminuer la quantité de boues.
• Amélioration de la qualité : Améliorer les boues pour la réutilisation.
• Sécurité environnementale : S'assurer que les effluents traités respectent des normes de rejet strictes.

Deux approches principales dominent le traitement des boues :

• Stabilisation aérobie : Utilise de l'oxygène dans des réservoirs de boues ouverts, mais nécessite beaucoup d'espace et d'énergie pour l'aération.
• Stabilisation anaérobie : Préférée pour les installations de taille moyenne à grande en raison de coûts moins élevés, d'une plus grande efficacité énergétique et d'avantages environnementaux. Son sous-produit, le biogaz, peut même générer de l'électricité. Certaines installations combinent les deux méthodes pour des résultats optimaux.

Alors que les demandes d'énergie augmentent et que les réglementations sur le carbone se resserrent, la digestion anaérobie offre des avantages convaincants :

• Réduit la matière organique d'environ 50 %, la convertissant en biogaz combustible.
• Produit de l'énergie renouvelable tout en réduisant la dépendance énergétique externe.
• Réduit les coûts opérationnels et les besoins en terres.
• Améliore le contrôle des odeurs, l'hygiène et l'impact climatique grâce à un meilleur équilibre du CO ₂ .

L'épaississement des boues avant la stabilisation réduit le volume, améliore l'efficacité du réacteur et augmente la production de biogaz. Les bioréacteurs modernes, qui sont au cœur des systèmes de biogaz, doivent être étanches à l'air, isolés et résistants à la corrosion, tout en facilitant le chargement et la maintenance.

Le contrôle de la température et le temps de séjour sont essentiels. Les systèmes traditionnels utilisent des fosses septiques pour une fermentation d'environ 20 jours, produisant du biogaz (50 à 70 % de méthane) pour l'électricité. Les nouveaux systèmes à haute température (>53 °C) réduisent le temps de traitement à 15 jours ou moins. Les principaux facteurs opérationnels comprennent :

• Le mélange des boues via des agitateurs, des pompes ou l'injection de gaz.
• La prévention de la stratification des boues.
• Le chauffage du réacteur, idéalement en utilisant la chaleur perdue.

Après la stabilisation, les boues peuvent être déshydratées à une teneur en solides de 20 à 35 % (ou 95 % avec séchage) pour être utilisées comme engrais agricole ou combustible. Des traitements supplémentaires comme le séchage thermique (>80 °C) ou l'ajustement à la chaux (pH ≥12) garantissent l'élimination des agents pathogènes.

Avec une efficacité thermique d'environ 6,5 kWh/m ³ (plus de la moitié de la valeur énergétique du gaz naturel), le biogaz peut alimenter les stations d'épuration ou alimenter les réseaux grâce à :

• Des systèmes combinés de chaleur et d'électricité (35 à 40 % d'électricité, 60 % de récupération de chaleur).
• Une utilisation directe dans les moteurs à gaz.
• La production de vapeur ou d'eau chaude.

Les grandes installations peuvent atteindre une autonomie énergétique de 100 %. La production de biogaz repose sur la dégradation microbienne : les bactéries acidogènes décomposent les matières organiques en composés plus simples, que les méthanogènes convertissent ensuite en méthane et en CO ₂ .

Alors que certaines installations sous-utilisent le biogaz, les systèmes optimisés, comme les digesteurs chauffés à la vapeur de Moscou ou la technologie d'hydrolyse thermique de la Norvège, démontrent son potentiel. Les innovations comprennent :

• Digestion améliorée : Doubler le rendement en biogaz en séparant les phases d'hydrolyse et de méthane.
• Hydrolyse thermique : Utilisation de vapeur à haute pression pour décomposer les boues, réduisant le volume de 50 % et triplant la production de méthane.

La production de biogaz apporte des avantages mesurables :

• Réduit les émissions de méthane provenant du stockage des déchets à l'air libre.
• Réduit les émissions de CO ₂ et la pollution azotée.
• Protège les ressources en eau et les forêts.
• Diminue l'utilisation d'engrais synthétiques.

Malgré ses promesses, le biogaz est confronté à des obstacles :

• La combustion n'élimine pas complètement les émissions de gaz à effet de serre.
• La disponibilité des matières premières, axée sur les zones rurales, limite l'évolutivité urbaine.
• Les coûts initiaux élevés des systèmes à petite échelle peuvent inciter à des cultures énergétiques écologiquement risquées.
• Les contaminants du biogaz (par exemple, le mercure, les composés de plomb) nécessitent une filtration plus stricte pour respecter les normes de qualité de l'air.

Cependant, à mesure que la technologie progresse, les systèmes de biogaz sont appelés à jouer un rôle croissant dans la gestion durable des déchets et la production d'énergie renouvelable dans le monde entier.