DU
FUMIER DE PORC
par
Hugues Thibault
Dans le cadre du cours: Projet 336-490 D
COLLEGE MACDONALD Le 19 avril 1982
, ,
Resumee & abstract ••••••••••••••••••••••• III Remerciement ••••••••••••••••••••••••••••• IV Liste des tableaux... V Liste des graphiques •••• e • • • • • o • e • • • • • • • • VI Liste des photographies. • • • • • • • • • • • • • • • • • VII Introduction. • • • • • • 0 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 1 Revue de litterature... 3 But. . . . • . 11 Procedures. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 12 Resultats ••••••••• • • • • • • • o • • • • • e • • • • • • • • • 14 Discussion ••••••••••••••••••••••••••••••• 18 Conclusion ••••••••••••••••••••••••••••••• 21 Recommandation ••••••••••••••••••••••••••• 22 Bibliographie •••••••••••••••••••••••••••• 23 Annexe I. • • • • • • • • • • • • • • • • •.• • • • • • • • • • • • • • • 25 Annexe I I . . . 28 Annexe I I I . . . 30
111
RESUME
De l'energie peut etre produite par la biodigestion du fumier de pore. L'energie est produite par 1' utilisation des gaz degages sous forme de combustible. La digestion se fait
a
1' aide d' un digesteur qui est construit selon des criteres bien specifiques. Du gaz sera produit sous un grand nombre de conditions differentes, mais c'est seulement lorsque cesdernieres sont optimales que le precede devient
productif et commercialisable.
ABSTRACT
From swine manure one can produce energy. One may use this gas, for heating water and for the generation of electricity. The biodesgestion is done with a digester speciallydesign for that purpose.The gas will be produce under a wild range of conditions but only when all of them are optimize that the process becomes efficient and commercialisable.
REMERCIEMENT
Je voudrais par la presente remercier tous ceux qui m'ont aide dans l'accomplissement de ce rapport: plus particulirernent
a
YVAN GARIEPY qui m'a aidea
faire les anal~ses de gaz, REID MATTRESS pour rn'avoir fourni le materiel necessaire a rnes exper 1ences, la ferme ' ,.
GASSER qui rn'a perrnis de visiter ses installations ainsi que mon superviseur de projet, Professeur PIERRE JUTRAS, pour 1' inter et qu' il a porte tout le long de laLISTE DES TABLEAUX
Tableau !:Concentration des gaz(exp.l) ••••• 14 Tableau II:Energie et temperature(exp.l) ••• 15 Tableau III:Concentration des gaz(exp.2).e a 16 Tableau IV:Energie et temperature(exp.2) ••• 17
LISTE DES PHOTOGRAPHIES Photographie I o e e o • e • e • • • e • • o • • • o • e 25 Photographie II • e • e • e e • • • • • e • o • o • • • 25 Photographie III o 5 o o o • o • • o • • • o • • • • o 26 Photographie IV •••••••••••••••••••• 26 Photographie V • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 27 Photographie VI •••••••••••••••••••• 27
• • Vl.l.
LISTE DES GRAPHIQUES
Graph. !:Concentration versus ternps(exp.l) •••• 28
Graph. !!:Concentration versus ternps(exp.2) ••• 29
INTRODUCTION
Le cout sans cesse croissant de l 1energie nous a
oblige
a
concentrer nos efforts de recherche vers denouvelles sources d'energie plus economiqueso D'autant plus que dans un avenir rapproche, nous disent les experts, toutes les reserves de cornbustibles fossiles
seront epuisees. Meme l 1energie hydro- electrique ne
pourra peut-etre plus suffire
a
la dernande.L1 une des solutions apportees
a
ce jour derneurela construction de centrales nucleaires, Ce processus
n 1 a cependant pas encore eu 11 assentirnent du grand
public en general. De plus une centrale nucleaire produit beaucoup de dechets tres dangereux. Ce qui nous
arnene done
a
considerer la tres grande valeurenergetique potentielle des dechets organiques.
Le fait derneure que le degagernent de gaz
a
partirde rnatiere organique en decomposition est connu depuis
la plus haute antiquite. Pasteur etudia la possibilite
de produire du methane
a
partir des dechets de la ferrne.En raison de 1 1 abondance de petrole,l 1 idee fut
abandonnee. Depuis le milieu des annees soixante l'idee est redevenue bien vivante.
Dans ce rapport,dans un premier temps, il y a un resume des criteres importants pour la construction d'un
1
digesteur,et dans un deuxieme temps, !'experimentation
d'un digesteur sur une petite echelle. Cette derniere
est effectuee avec du purin de pore, qui se retrouve en
REVUE DE LITTERATURE
Ce sont des micro-organismes qui se nourrissent
de la matiere organique et qui produisent, par un
metabolisme qui leur est propre, du BIOGAZ constitue de
methane (CH 4 ) ( 50-70%), de gaz carbonique (C02
) (25-45%), et de petites quantites (2-5%) d'hydrogene
(H 2 ) , d'azote (N2 ),de sulfure d'hydrogene (H2 S) et d'ammoniaque (NH3 ).(Price 1981)
La reaction bio-chimique est tres souvent
simplifiee de la fa~on suivante:
micro-organismes
M.O~--- CH4 *C02 *H2 *N2 *H2 S* NH3
anaerobique
En fait la digestion anaerobique est beaucoup plus complexe engendrant plusieurs centaines d'intermediaires
possibles. (Hashimoto 1977)
LES ETAPES DE LA DIGESTION ANAEROBIQUE.
La digestion anaerobique est divisee generalernent en trois (3) etapes distinctes.(Fisher 1979)
-L'hydrolyse et la solubilisation. -La fermentation acidogene.
L'hydrolyse et la solubilisation.
Cette etape a pour but de solubiliser les larges chaines insolubles de matiere organique (M.O.) par l'action de plusieurs bacteries possedant des capacites enzymatiques. Ainsi les sucres, les graisses et les proteines seront taus decomposes sous 1' action des enzymes spefiquement secretes par les bacteries.
L'amylase se chargera d'hydrolyser l'amidon et le ·
glucose en disaccharide. La cellulase et la chitinase donneront le meme resultat avec respectivement la cellulose et la chitine.
Les graisses et les lipides seront decomposes par l'entremise de la lipase et de la esterases. Tandis que les proteines sous l'effect de la protease subiront la meme decomposition.
La fermentation acidogene.
Dans cette etape un autre groupe de bacter ies transforme les composes monomeres provenant de la premiere etape en acide propr ionique' lactique et
puisqu'environ 70% du methane provient de celui-ci •
La fermentation methanogeneG
Les bacter ies methanogenes, lesquelles sont strictement anaerobiques, produiront durant.la troisieme etape le BIOGAZ.
Ces bacteries sont surtout aptes
a
digerer l'acide acetique. Quoique les autres acides peuvent etre transformes en Biogaz, mais le processus sera plus long.De plus les deux premieres etapes doivent etre completement terminees avant que la fermentation methanogene soit amorcee.L'etape 1 est probablernent celle qui lirnite la reaction de production de Biogaz puisque !'action bacterienne en 1 est beaucoup plus lente que celle dans les etapes 2 et 3.(Hashimoto 1977)
LE DESIGN D'UN DIGESTEOR.
La construction d'un digesteur e·st faite en tenant compte des facteurs qui influencent la fermentation anaerobique tels que:
- la temperature du lisier. - le taux de chargement et
le temps de detention. - !'agitation
- !'utilisation du Biogaz.
La quantite et la qualite du biogaz produit sont directement affectees par la temperature du fumier
a
digerer. Les digesteurs peuvent etre utilises soi ta
temperature des bacteries mesophiles (25-40 C') ou soita
la temperature des bacteries thermophiles (45-65 C') ,(Fisher 1979).Van Velsen (1979 b) rapporte qu'avec du fumier de pore
25% moins de gaz a ete produi t avec la digestion thermophile qu'avec la digestion mesophile. Bien que la plupart des chercheurs s'entendrent entre eux pour dire que la digestion thermophile permet de reduire de moitie le temps de retention et augmente de fa9on substantielle la production de biogaz,(Hansen 1977).
La temperature optimale est obtenue lorsqu'on a le maximum d'energie nette, c'est-a-dire l'energie obtenue moins l'energie donnee. Il faudra done que le digesteur soit isole. Il gagnera a etre enseveli sous la terre au rneme titre qu'une fondation de rnaison. Aussi faudra-t-il
y incorporer un systeme de chauffageo Tres souvent on utilise de l'eau chauffe
a
la temperature voulue. Quelquefois on emploie de l'air egalement chauffe. Mais dans les deux cas on se sert du gaz produi t par le digesteur comme combustible et l'energie est transmise au lisier par un echangeur de chaleur amenag' ~ cettefin,(Surnmers 1976) o
Un temps d'incubation de 15 jours et un taux de chargement de 3.6 kg
sv
m.cu.-jour est le taux ideal trouve pour reduire les odeurs de la fagon la plus minime possible ainsi que pour rendre la quantite de gaz produit maximum (temp. 35 C',.56 m.cu. de gazkg SV) (Van Velsen 1977)o
Par contre le taux de chargement et le temps d'incubation peuvent varier avec le type de digesteur employe (ou de processus employe),(Price 1981).
Le chargement ne doit pas se faire avec plus de 10% de matiere solide totale. Une plus grande quantite resulterait en une deterioration precoce des pompes et des problemes d' agitation surviendrait en plus Generalement le lisier de pore se situe
a
environ 7% de matiere solide totale,(Pigg 1977).L'efficacite du processus de biodegradation est
reliee .a l'uniformatisation de la temperature et de la
concentration des bacteries de chacune des etapes (3) a
tr avers la masse de fumier. On doi t done inclure au
digesteur un systeme d'agitation. Il permettra au gaz
produit de se degager plus rapidement de la
solution,(Ashare 1977).
La principale methode d'agitation est accomplie par une recirculation du biogaz. Cette recirculation se fait par le retour du gaz au bas du digesteur au moyen d'un compresseur. Metcalf et Eddy (1972) recommandent
une quantite quotidienne de gaz de 1.8 m.cu. par metre
cube de digesteur, c'est-a-dire, une quantite
quotidienne d'energie de 0.00049 kwh par metre cube de
digesteur et par metre cube de hauteur de lisier (kwh m.cu.-m}.
Un moteur et un generateur seront necessaires si
1 'on veut produi re de 1 'electr ici te. Ceux-ci . sont
facilement adaptables pour !'utilisation du biogaz. Si 1 'on desire utiliser le biogaz uniquement pour le
chauffage de 1' eau, il existe sur le marche des
chauffe-eau et des fournaises fonctionnant au gaz nature! qui sont facilement adaptables sur ce systeme. On peut y inclure un systeme d'epuration qui eliminera
les problemes possibles de corrosion dus au H2 S et a la
Beaucoup d'autres facteurs peuvent influencer la digestion anaerobique comrne par exemple le rapport carbone:azote (C:N ratio), le P.H. de la solution et les cations des metaux alcalins. Ces derniers sont plus d'ordre bio-chimique done de moindre importance dans le design d'un digesteur. De plus, la plupart des fumiers
rencontrent aisement les precedents criteres sans trop de problemes,(Jeris 1965).
La forme du digesteur peut et re carree, , rectangulaire ou ronde. Le toi t peut etre fixe ou flottant. Ce dernier a l'avantage de reagir ace qui se passe dans le digesteur. Il monte ou descend selon le volume de lisier a l'interieur. Le toit flottant peut aussi servir a l'emmagasinage du gaz.
On devra prevoir le meme volume d'entreposage pour le lisier digere que pour le lisier frais car le traitement ne reduit pas considerablernent le volurne,(Price 1981).
Par contre le lisier digere est un excellent engrais. L'azote digere est beaucoup plus accessible aux plantes etant donne qu'il a subit une decomposition dans le digesteur qui autrement se serait deroulee dans le sol me me et il contient globalernent les rnemes '
non-digere,(Sommers 1976).
L' un des gros avantages de la digestion
anaerobique, en plus de produire de l'energie, est sa
capacite
a
reduire les odeurs ainsi que la demande enoxygene
co
2 ) ce qui a pouX" consequence d'abaisserconsiderablement le potentiel de pollution du lisier de
pore.
B~
Voir si effectivement du biogaz est produit par le fumier de pore, dans quelle proportion il est produit
et si effectivement la digestion anaerobique mesophile
PROCEDURE
Pour les besoins de !'experience un digesteur a
ete construit
a
partir d'un simple baril de 45 gallons(imp.) dans lequel deux ouvertures ont ete pratiquees (photo. I), soi t une dans la par tie super ieure pour
permettre d'y introduire le lisier
a
etre digere, et uneseconde au bas pour y retirer l'excedent et ou le
substrat deja digereo
A l'interieur, un element chauffant a ete place et controle par un thermostat qui declenche le chauffage
si besion est (Photo.II). L'agitation est assure deux
a
trois fois par jour au moyen d'une helice actionneemanuellement. Le tout a ete isole avec 8" de laine en fibre de verre,(Photo. III & IV).
Le bar il,ainsi devenu digesteur, a ete rempli jusqu' au 2 3 graduellement soit avec un volume total de
.16 m.cu. de lisier. Notez qu'une sortie de gaz est
prevue sur le dessus par laquelle on peut mesurer le
debit
a
!'aide d'une jauge appropriee. N'ayant pas dejauge pour un si petit debit je n'ai pas pu le noter, (Photo. V).
Alors sur une periode de dix jours des
echantillons de gaz* ont ete pris
a
l'aide de seringues.(gas partionner) lequel me donne, dans l'ordre, les concentrations de
co
2 ,
o
2 , N2 , CH4Quotidiennement une lecture de la temperature du lisier et de de la temperature exterieure furent prises ainsi que la lecture de l'energie (kw-h) utilisee pour garder le digesteur
a
temperature constante, (Photoe VI) o*
L'analyse de'gaz fut fait environ tout les. deux jours puisque l'analyseur de gas n'est pas disponible les fins de semaines. De plus puisqu'il appartient au departement de micro-biologie on ne peut s'en servir que lorsqu'il est libre.RESULTATS
Deux series de resu1tats furent notees. Dans la
premiere serie, le digesteur est a1imente
quodidiennement avec du lisier frais. La quantite
ajoutee est de 10 litres avec approximativement 10% ST.
La meme quantite est extraite du digesteur tous ·1es
jours.
Tableau I: Concentration des gaz (experience 1)
JOUR CONCENTRATION (%) CH4 C02 N2 02 23, fev. 78.4 20.9 24
"
25"
4.6 75.2 18.1 26"
4.4 74.8 17.1 27"
28 " 01 mars 7.4 73.4 16.2 02""
2.1 8.1 73.0 15.3 03""
04 "" 2.9 10.0 72.1 14.9Tableau II: Energie et temperatures (exp. 1)
Jour Lecture Energie Temperature Temperature
(kw-h) (kw-h) 1isier (C') exter ieur (C')
23 fev. 7010 35.1 - 7.1 24 n 7012 2 35.0 - 4.8 25 n 7013 1 35.2 -14.5 26
"
7015 2 34.3 -15.5 27 n 7018 3 34.7 -10.5 28 " 7020 2 35.9 -12.5 01mars 7021 1 35.1 - 5.2 02""
7023 2 35.7 - 4.8 03""
7024 1 34.6 - 4.1 04""
7026 2 35.1 3.0---
---Moyenne: 1.6 35.0 - 7.616
Pour ce qu1 est de la deuxieme • ser1e, le ,
.
digesteur fut rempli
a
sa pleine capacite , soit avec unvolume de 160 litres (2 3 du digesteur), puis referme le
plus hermetiquernent possiblee
Tableau III: Concentration des gaz (exp. 2)
• concentration JOUr (%) CH4 C02 N2 02 8 mars 78.0 21.3 9
""
10""
2.1 7.1 71.3 18.3 11""
5.2 11.1 68.4 14.4 12""
13 nn 14""
14.9 21.9 53.1 7.7 15""
16""
25.1 26.2 42 7 3.8 17""
18""
29.6 30.2 38 6 1.6 19""
20""
30.1 31.0 36.5 1.5 21""
22""
30.7 31.2 35.2 1.6Tableau IV: Energie et temperatures (exp.2)
0
Lecture Energie Temperature Temperature
JOUr
(kw-h) (kw-h) 1isier (C') exter ieur (C')
8 mars 702~ 34.5 -10.1 9 "" 7027 1 34.6 -5.4 10 1111 7029 2 35.2 -4.3 11 "" 7030 1 35.0 -2.1 12 1111 7032 2 35.9 -5.2 13 "" 7033 1 34.1 0.0 14
""
7034 1 34.9 2.7 15 nn 7036 2 34.8 -5.1 16""
7037 1 35.3 3.7 17 1111 7039 2 35.6 -6.4 18 "" 7040 1 35.7 2.4 19 nn 7042 2 34.0 -5.0 20""
7044 1 34.3 0.7 21 nn 7045 1 35.0 2.9 22 1111 7046 1 34.7 1.1---
---Moyenne: 1.3 34.9 -2.1DISCUSSION
Les experiences furent conduites sous une temperature de
35 C' ~~~ 1 C'c Cette temperature est le point optimum
pour les bacteries methanogenes (energie re9ue versus
energie donnee)e Ces memes bacteries peuvent subir une
variation de
1/
-
2e8 C' sans qu'aucun dommagesignificatif apparaisse, (Price 1981).
La premiere partie de mon experience ne fut pas tres concluante
.Comme on peut le remarquer la concentration de methane contenu dans le biogaz est tres minime, pour ainsi dire
inexistante. C'est principalement du au fait qu'a
chaque fois que le lisier etait introduit dans le
digesteur , il y avait un volume d'air aussi qui y
entrait. Cette quantite d'air n'etait probablernent pas tres volumineuse mais considerable vu la dimension de
mon digesteur. L'air empeche le bon fonctionnement des
bacter ies responsables de la production du methane ,
puisque ces dernieres sont s t r i c t e·ment
anaerobiques,(Jeris 1965). Si on regarde de plus pres
les concentrations on remarque, qu'a peu de chose pres, elles sont dans les memes proportions que l'air. L'air
etant compose de 78% de N2 et de 21% d'
o
2Pour la deuxieme partie de !'experience, une foix le digesteur rernpli et referrne le plus herrnetiquement
possible done il n'y avait absolument pas d'air quipouvait y penetrer. Les resultats furent plus encourageants quoique pas encore parfaitement concluants. On pourcentage de 30.7% de methane dans le biogaz ce n'est que la moitie des resultats obtenus par Lapp et ass.(experience E2( 1976)) qui eux ont produit avec leur digesteur 66% de methane.
Le probleme est encore du au fait que de l'air ,
quand le digesteur fUt rernpli 1 S ll eSt intrOdUit
a
l'interieur. Le digesteur n'ayant pas ete reouvert par la suite durant tout la duree de !'experience les
reactions bio-chimiques ont reussi tant bien que mal
a
s'effectuer et
a
surmonter leur handicap.Le lisier fut inocule, !'inoculant provenait du
digesteur de "La Cite Des Jeunes" de vaudreuil. Leur
d igesteur est suppose fonctionner au furnier de pore. Mais quand il manque de lisier ils utilisent de la boue
residuelle provenant de leur systerne normal de filtration des eaux et des egouts. Alors les inoculants utilises comptenaient probablernent plus de bacteries
adaptees aux boues que pour le fumier de pore ,si
a
1 I epOqUe OU j I ai pr iS leS innOCUlantS il Y avai t Un
rnanque de lisier. Ceci retarde le processus de 3
a
4semaines puisque le digesteur devra construire sa propre
L'energie consomrnee pour rnaintenir la temperature
'
a 35 C0
est de 1.6 kw-h par jour en rnoyenne. Pour la
premiere partie et de 1.3 kw-h par jour en moyenne pour
la deuxierne partie. Presenternent le kilowatt-heure se
vend ·
a
2.74 soit un cout quodidien de 4.34 et de 3.5frespectivernent.(HYDRO-QUEBEC 1982) Il faut ajouter que le digesteur etait tres bien isole avec ses 8" de laine en fibre de verre soit un facteur d'isolation de R28.
Pour ce qui est des odeurs les resultats ne sont
que qualitatifs, rnais tres faciles
a
detecter. Lelisier frais en soit est tres difficile
a
supporterpuisque son odeur tres volatile contient une certaine concentrtation d'ammomiac. Le lisier digere lui a perdu la majeure partie de son odeur. A la fin de la deuxieme experience, lorsque j'ai retire ce qui fut digere, j'ai
constate que l'odeur etait beaucoup mains forte. Les
habitues du fumier de pore, en 1 'occurence les
producteurs de pore, diraient que ~a ne sent rien. Les
non-habitues diront que l'odeur se dissipe en quelques heures.
CONCLUSION
La digestion anaerobique est connue depuis tres longtempso Grace
a
la crise du petrole , ce precede a fait un plus grand bond au cour des dix ou quinze dernieres annees que depuis le tout debut de son histoireo Son avenir s'annonce prometteur, vue la plus grande conscience de la population en vers les problmes de recyclage des dechets.Man experience demontre tres bien que, meme dans des conditions difficiles, du biogaz peut etre produit.
Les chercheurs verront
a
rendre encore plus efficace le processus de digestion voir memea
le rendre commercialisable.RECOMMENDATION
Le digesteur, s'il est utilise par d'autres dans l'avenir, devra etre equipe d'une entree differente pour
le lisier soit en forme de
u
ou encore en forme de coudecomme les lavabos. Il y aurait toujours du liquide dans le has ce qui diminurait presque totalement la possibilite que de l'air puisse penetrer. On pourrait aussi proceder au moyen d'une petite pompe.
On devrait s'assurer que l'innoculant, si on en utilise, provient bien d'un digesteur qui fonctionne uniquement au lisier de pore.
BIBLIOGRAPHIE
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Van Velsen, A.F.M., 1977. Anaerobic Digestion of Piggery Waste. Dans: The Influence of Detention Time
ANNEXE I
'
Photo$ I: Le baril montrant ses deux ouverture.
_. _..., ·-- . !
-":.7
-~·
---~
-Photo~ III: L'interieur du digesteur montrant l'agitateur,l'element chauffant et
l'entree du lisier.
Photo. V: La sortie des gaz.
Photo. IV:Vue cl'ensemble du digesteur et du kilo-wattmeter.
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ANNEXE II10
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60
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40
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