GRANDES LIGNES D’UNE FORMATION EN TECHNOLOGIE DU BIOGAZ TENUE A KIGALI DU 13/05 AU 18/06/2004 Présenté par NKURUNZIZA Théoneste Centre de Recherche en Sciences Appliquées

PLAN DE L’EXPOSE 0. Termes courants dans la technologie du biogaz. 1 PLAN DE L’EXPOSE 0. 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.

TERMES COURANTS DANS LA. TECHNOLOGIE 1. Biomasse: 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 1.2. FORMATEURS Délégation chinoise comprenant: - 2 Instructeurs - 2 Maçons - 1 Interprète

1. 3. PARTICIPANTS. 18 Participants comprenant: 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 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 FERMENTATION. METHANIQUE 2. 1 II. THEORIE DE LA FERMENTATION METHANIQUE 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 glucose Amidon 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 méthanogènes Molécules volatiles méthane CH3COOH CH4 + CO2 2 CH3CH2OH CH4 + 2 CH3COOH CO2 + 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 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 –600mV L’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 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 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 fermentation 3 parties: hauteur: f2 - radier rayon de courbure: r2 surface: s2 diamètre: Dd - murs hauteur: H surface: S hauteur: f1 - dôme rayon de courbure: r1 surface: s1

Paramètre Symbole Formule Commentaire Volume du digesteur Vd nx(q+w)xRt n = effectif de la population q = quantité de matière première rejetée/jour w = eau de dilution Rt = 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 r1 Rd2 + f12 2f1 Permettent de construire le dôme et le radier Rayon de courbure du radier r2 Rd2 + 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 + f12 ) Surface du radier s2 π ( Rd2 + f22 ) Volume des murs V π Rd2 H   Vd = V + v1 + v2 = 0,447 Dd3 Volume du dôme v1 π x f1 (3Rd2 + f12) 6 Volume du radier v2 π x f2 (3Rd2 + f22)

3.2. Dimensionnement de la chambre d’évacuation ou chambre d’expansion ou chambre à pression hydraulique: Ve Calculé suivant le rapport optimal Vd Ve Exemple: Pour un digesteur de 8m3 , Ve = 2m3 = 4

IV. CALCUL DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION ET ETABLISSEMENT DE DEVIS IV. CALCUL DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION ET ETABLISSEMENT DE DEVIS - dimensions d’une brique 1. Briques - volume de la maçonnerie occupée par les briques - ciment 2. Béton - sable - gravier ou galet - eau 3. Mortier 4. Fer à béton

4.1. Briques Volume 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 Rcb = 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

Pour les digesteurs, on considère souvent Rs = 200 100 - 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 10-20 205 185 170 190 160 30-50 215 195 180 200 60-80 225 210 90-120 235   Le degré d'effondrement admissible est: 10-30 mm pour dôme et radier 50-80 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 0,40 30-35 29-34 27-32 26-32 25-31 24-30 0,50 33-38 32-37 28-33 0,60 36-41 35-40 31-36 0,70 38-44 38-43 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 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. CONSTRUCTION Comprend ces étapes: 1 V. CONSTRUCTION Comprend ces étapes: 1. Piquetage: pour déterminer le centre du digesteur 2. Creusement 3. Coulage du béton du radier 4. Elévation des mûrs et fixation du tuyau d’entrée 5. Construction du dôme 6. Construction du bassin de sortie 7. Crépissage interne de l’ensemble: 2 couches de 2cm d’épaisseur chacune 8. Crépissage externe du dôme 9. Lissage interne avec le lait de ciment: 7 couches 10. Fabrication des couvercles 11. 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.

Conclusion La 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 E-mail: nkurtheo@yahoo.fr