Le méthane (CH4 ) peut être oxydé en dioxyde de carbone (CO2 ) par les bactéries méthanotrophes présentes dans les recouvrements des sites d'enfouissement, en présence de l'oxygène. Il est possible de développer un recouvrement qui favorise la croissance des bactéries qui oxydent le méthane. On parle alors de biorecouvrement d'oxydation passive du méthane (BOPM). La mise en place d'un BOPM permet de réduire les émissions de CH 4 pendant et après la période de récupération active, où il n'est plus économiquement viable d'extraire le biogaz. Plus spécifiquement, le présent mémoire traite des essais d'oxydation en colonnes simulant un biorecouvrement d'un site d'enfouissement. Les taux d'oxydation ont été obtenus en faisant varier les substrats, les épaisseurs et les degrés de saturation de ceux-ci. Les sols utilisés provenaient des 2 BOPM construits sur le site d'enfouissement de Saint-Nicéphore (Québec, Canada). De plus, un sol contaminé a été testé. Les taux d'oxydation maximaux des essais de colonne ont varié entre 49 et 141 g CH 4 /m2 /j, représentant des efficacités variant entre 81 et 90 %. Les facteurs les plus susceptibles de faire varier le taux d'oxydation sont : le pas d'augmentation de l'alimentation en CH4 , l'épaisseur du substrat et le degré de saturation en eau. Des essais de respiration ont été réalisés et une méthode a été développée pour calculer les efficacités d'oxydation du CH4 en profil en prenant en compte la respiration. Des essais de caractérisation initiaux et finaux sur les substrats ont été faits pour évaluer les changements du pH, de la teneur en matière organique et du degré de saturation. La saturation est le seul paramètre qui a présenté une différence significative entre le début et la fin des essais d'oxydation. Une comparaison a été réalisée entre les taux d'oxydation du laboratoire et le taux au terrain. Pour le substrat du BOPM 3B, les taux au laboratoire ont été plus élevés, par contre, pour le substrat du BOPM 2 les taux au terrain ont été supérieurs grâce à la présence de végétation indigène.

La production et l'utilisation du biogaz, énergie renouvelable issue principalement de déchets, constituent une alternative aux énergies fossiles et contribuent à la baisse des émissions de gaz à effet de serre. Cependant, le biogaz contient des éléments sulfureux, dont le sulfure d'hydrogène. Ces éléments sulfureux sont responsables de la sulfidation et de la corrosion par l'acide sulfurique. Ces phénomènes de dégradation sont les causes principales de la détérioration anticipée de chauffe-eaux, génératrices et moteurs. L'utilisation du biogaz est donc synonyme de traitement afin d'enlever toute trace de soufre et permettre une utilisation sécuritaire pour les équipements. Par contre, ce traitement est très onéreux et n'est donc qu'à la portée des grosses firmes ou exploitations agricoles. Le but de ce projet est de populariser l'utilisation du biogaz en permettant son utilisation à prix minime et sans négliger la durée de vie des installations. Ainsi l'objectif est de limiter la dégradation d'un moteur ayant subi des modifications mineures d'un point de vue économique. De précédentes recherches ont montré que l'étendue des dégâts causés par les phénomènes de sulfidation et de corrosion par l'acide sulfurique pouvait être amoindrie avec une augmentation de la température. Les modifications effectuées sur le moteur de ce projet consistent donc en un système de préchauffage/séparateur de phase du biogaz avec l'échappement du moteur. De plus, un changement d'huile moteur avec un indice de basicité plus important, contrant les effets de la formation d'acide sulfurique dans le moteur, est effectué. Des tests expérimentaux sur 550 heures ont été effectués avec du biogaz avec et sans préchauffage sur un moteur diesel Yanmar L48V (3.1 kW).La dégradation du moteur a été suivie par des observations visuelles, prises de masses et mesures des pièces essentielles du moteur. Des analyses d'huile moteur ainsi que des mesures de pression dans le cylindre ont aussi été effectuées. Les résultats montrent que le moteur a subi moins de dégradation provenant du test avec du biogaz préchauffé et ouvrent la porte à pousser les recherches dans cette direction avec d'autres paramètres, sur une plus longue période de tests et avec de plus grosses génératrices.

Cette étude porte sur l'évaluation de la performance d'un procédé biologique visant â réduire la concentration en sulfure d'hydrogène (H[indice inférieur2]S) présent dans le biogaz. De l'air est injecté dans la phase gazeuse d'un bioréacteur de digestion anaérobie (ratio volumique air/biogaz=1/20) de telle sorte à assurer à la surface du liquide, une zone en micro-aérobie.Cette recherche s'intéresse spécifiquement aux boues anaérobies psychrophiles (25[degrés celsius]), acclimatées à du lisier bovin ou porcin. Une première expérience vise à évaluer le potentiel de biotransformation des boues non alimentées en lisier et soumises à une charge connue en H[indice inférieur 2]S (entre 0,68 et 2,19 mg H[indice inférieur 2]S L[indice supérieur -1] boues h[indice supérieur -1]) injectée dans la phase liquide à la base du bioréacteur. Un taux maximal de biotransformation de 1,27 mg H[indice inférieur 2]S L[indice supérieur -1] boues h[indice supérieur -1] a été obtenu pour un taux de réduction du H[indice inférieur 2]S de 96,9%, une capacité 6,7 fois supérieure au taux maximal obtenu pour un bioréacteur alimenté avec du lisier bovin (0,19 mg H[indice inférieur 2]S L[indice supérieur -1] boues h[indice supérieur -1]). Une deuxième expérience consiste à évaluer l'impact d'un tel procédé sur le rendement en méthane et la stabilité d'un bioréacteur en opération. Deux bioréacteurs psychrophiles sont opérés en mode semi-batch et alimentés de manière identique avec du lisier bovin. Un seul des deux bioréacteurs est opéré en micro-aérobie. Ce bioréacteur a présenté des concentrations en H[indice inférieur 2]S indétectables (<50 ppm), sauf les journées où le ratio volumique air/biogaz était entre 0 et 0,056. Des concentrations variant entre 0 et 3500 ppm étaient mesurées dans l'effluent gazeux du bioréacteur sans injection d'air. Le bioréacteur en micro-aérobie a présenté un rendement spécifique en méthane 6,5% plus faible que le bioréacteur témoin, mais cet écart a diminué jusqu'à 0,87% pour les 4 derniers cycles de l'expérience durant lesquels le débit d'air a été réduit et maintenu à 4 ml/min.

La biométhanisation est une biotechnologie qui exploite la capacité des consortiums bactériens anaérobie afin de solubiliser, dégrader et produire une grande quantité de biogaz à partir d’une grande variété de matière organique. Ce biogaz contient une concentration en méthane, laquelle confère un très grand pouvoir calorifique au biogaz pouvant être utilisé dans différents [i.e. différentes] applications (biocarburants, cogénération, trigénération etc.). La biométhanisation en milieu contrôlé assure l’hygiénisation de la matière organique tout en profitant du biogaz produit afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre, et d’éviter les émissions d’odeurs nauséabondes pouvant affecter la population entourant le site d’exploitation. En Europe, la méthanisation est répandue, dû aux politiques européennes qui ont introduit certaines réglementations en faveur de la méthanisation comme une technologie valable pour la production de l’énergie électrique à un prix compétitif. Ceci s’avère possible car, en Europe à la différence du Québec, l’électricité s’avère plus coûteuse. Au Québec, il existe différents projets de biométhanisation en cours. Le gouvernement a disposé de 650M$ dollars pour le développement de la méthanisation et du compostage afin de stimuler et chercher des alternatives de gestion des déchets moins nuisibles à l’environnement. Ce mémoire couvre les aspects techno-économiques et énergétiques de la gestion des substrats organiques putrescibles traités par un procédé de digestion anaerobie (biométhanisation) dans le contexte des Iles-de-la-Madeleine (ÎdM) en considérant un système de valorisation énergétique par cogénération (production d’énergie électrique et thermique). Cette étude est élaborée afin de traiter ~7 900 tonnes de matières organiques putrescibles (résidus de la collecte municipale, résidus de l’industrie de transformation de la mer et la boue de fosses septiques) provenant de la municipalité des ÎdM. Pour ce faire, ont été considérés 100%, 50% et 0% de l’apport actuel en matière [i.e. matières] putrescibles de l’industrie des pêches divisées en différents scénarios. Ces scénarios sont comparés d’un point vu [i.e. de vue] technicoéconomique et énergétique à l’aide du logiciel MATTEUS développé par Hydro-Québec afin de suggérer le meilleur procédé intégré de gestion des MR. dans le contexte des ÎdM. La technologie de méthanisation choisie dépendra de la biodégradabilité des déchets, ainsi que la composition et l’homogénéité de ces derniers. La technologie choisie repose sur un procédé de méthanisation à voie humide opéré en continu dans un digesteur infiniment mélangé en condition mésophile. Ce système fonctionne à une siccité du mélange des substrats admise au digesteur inférieure à 15%, ce qui justifie l’approche. À titre indicatif, le scénario traitant 100% d’apports de matières résiduelles (~7 900 tonnes de matières organiques/an) génère une production de méthane d’environ ~176 0 0 0 Nm³/an. Les résultats obtenus à partir des modélisations faites démontrent que le biogaz produit par la biométhanisation de ces déchets pourrait alimenter un groupe électrogène d’une puissance se situant entre 59 et 90 kWe dont le surplus de l’électricité pourrait être vendu. L’estimation de l’investissement nécessaire pour l’implantation d’un procédé de biométhanisation aux ÎdM varie entre 1.3 et 1.9 million de dollars selon le scénario considéré. Selon l’hypothèse d’une subvention du 67% du coût total de l’installation et d’un financement de 33% du coût total, à 4,58% d’intérêt amorti sur une période de quinze ans, le sommaire des dépenses annuelles incluant la main d’oeuvre, la maintenance et le remboursement du capital s’élève entre 124 000 et 144 000 $/an. Le scénario 100% qui gère les trois types d’intrants issus de la municipalité pour faire de la valorisation sous forme de cogénération de chaleur et d’électricité obtient le meilleur résultat économique avec un bilan annuel positif de 103 786 $/an (ce qui correspond à 8,29$/habitant.an). Afin de diminuer le coût de gestion de MR, la municipalité pourrait évaluer la possibilité d’utiliser le biogaz produit plus la matière résultante du compostage par un couplage de technologie (gazéification ou une autre) pour partager les coûts avec leurs partenaires et profiter du biogaz produit. En plus, dans ce projet, l’énergie thermique n’a pas été valorisée, ce qui représente une ressource possédant un potentiel économique éventuel pouvant être utilisé si des entreprises viennent se construire près de la source.

La digestion anaérobie implique un écosystème complexe qui dégrade progressivement la matière organique est la transforme en dioxyde de carbone et en (bio)méthane. Ce biogaz est une source d'énergie renouvelable dont l'utilisation s'inscrit dans une optique de développement durable. Le potentiel biogaz reste néanmoins sous-exploité à cause d'un manque d'outils adaptés pour garantir la pérennité des installations et mieux maîtriser la qualité du biogaz. Nous proposons des stratégies pour mieux valoriser les résidus organiques liquides, à travers deux approches. L'une propose des méthodes pour identifier un risque de déstabilisation et prévenir un mauvais fonctionnement du procédé, l'autre repose sur la régulation de la qualité du biogaz. Ces méthodes nécessitent des modèles dynamiques pour décrire avec précision l'évolution des variables du système. Nous proposons une modélisation fine des transferts liquide-gaz, qui conduit à un modèle où le coefficient de transfert (kLa) dépend du débit total de biogaz.<br />Ce lien implique une relation linéaire entre la qualité du biogaz et la concentration en CO2 dissous, qui sert à améliorer les modèles existants. Un indice de risque de déstabilisation du procédé est construit à partir d'une analyse de stabilité d'un modèle simplifié. Cette procédure, appliquée à un procédé pilote, peut détecter une éventuelle déstabilisation du fermenteur, plus tôt que les indicateurs usuels (pH, acides gras volatils). Enfin, nous introduisons une nouvelle stratégie de contrôle de la qualité du biogaz basée sur la régulation de l'alcalinité dans le digesteur. Différentes lois de commande sont proposées et validées expérimentalement sur un réacteur pilote.

Ce travail présente une étude de procédé de traitement des siloxanes et de l'H2S appliqué à la purification des biogaz. Une approche bibliographique montre l'intérêt de développer de nouveaux procédés de traitement à faible coût pouvant s'intégrer facilement dans une filière complète de purification des biogaz. Une partie de l'étude est consacrée aux possibilités de traitement par transfert gaz-liquide dans des huiles. Cette technique est comparée à un procédé plus classique de traitement par adsorption sur charbon actif. Les résultats ont montré que ces 2 techniques étaient complémentaires, l'absorption dans une huile utilisée pour le traitement de fortes concentrations et l'adsorption sur charbon actif en traitement definition. Une autre partie de l'étude a été consacrée au traitement de l'H2S. Les niveaux d'abattement requis étant de plus en plus bas, l'approche choisie est celle d'un traitement definition en complément des traitements principaux classiques. Le procédé étudié est celui d'un système par physi-adsorption sur charbon actif en tissu pre-humidifié. Celui-ci est régénéré in situ par chauffage électrique direct et mise en dépression du réacteur. L'étude des conditions opératoires a permis d'établir des paramètres de régénération et des conditions de traitement permettant de réaliser des cycles pérenne. L'intérêt réside ici dans les conditions douces de température et de pression utilisées pour la régénération.

La valorisation du biogaz est une technologie permettant de recueillir et de traiter le biogaz issu des déchets organiques fermentescibles en vue de produire de l'énergie tout en préservant l'environnement grâce à la réduction des émissions de gaz à fort effet de serre tel que le méthane, l'élimination des odeurs et des risques d'explosion. Une des méthodes de la valorisation du biogaz est la production d'électricité dans des groupes électrogènes constitués des moteurs à biogaz couplés à des génératrices électriques. Pour une efficacité optimale de cette valorisation, il est très important que la production du biogaz et sa composition soient stables. Cependant, il y a beaucoup de facteurs qui influent sur la variation de la concentration de composants du biogaz, en particulier les paramètres météorologiques et les méthodes d'enfouissement. L'ensemble de ce travail a permis une étude à trois niveaux (à court terme, à moyen terme et d'un point de vue global) de la dynamique des processus de production et de comportement du biogaz sur des Centres de Stockage des déchets ménagers en fonction de différents paramètres extérieurs (météorologiques, d'exploitation).

Reproduction de : Thèse de doctorat : Science de la Terre et de l'environnement : Université de Toulouse, INPT : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 255 réf.

Dans ce travail, nous avons réussi à améliorer la perméabilité au CO2, ainsi que la sélectivité CO2/CH4 et CO2/N2, de membranes à matrice mixte (MMM) à base de poly(éthylène-bamide) (Pebax MH-1657) en incluant des cadres métalliques-organiques (MOF) et des additifs aromatiques. La première partie des travaux a porté sur l’ajout de MOF de synthèse (MIL-53 et NH2-MIL-53) au Pebax. Les interactions favorables entre les groupes fonctionnels des MOF et du CO2, ainsi que l’absence de défauts morphologiques majeurs, ont conduit à une meilleure performance de séparation du CO2 des membranes. Dans la deuxième partie, une approche différente a été adoptée en étudiant l’effet des acides carboxyliques aromatiques (acide benzoïque et acide isophtalique) sur les membranes planes de Pebax MH-1657. Les groupes fonctionnels carboxyle ont une forte affinité pour le CO2 facilitant le transport du CO2 à travers les membranes conduisant à une sélectivité CO2/CH4 et CO2/N2 plus élevée. Dans la dernière partie, deux MOF isoréticulaires (ZIF-8 et ZIF-67) ont été introduits dans le Pebax MH-1657 pour modifier ses propriétés discriminantes pour le CO2. Le ZIF-67 s’est avéré plus efficace pour faciliter la diffusion du CO2 en raison de sa taille plus appropriée d’ouverture des pores, tandis que le ZIF-8 était meilleur pour améliorer la solubilité du CO2 en raison de fortes interactions électrostatiques avec le CO2. Dans l’ensemble, les résultats obtenus ouvrent la voie au développement de membranes polymères pour la séparation des gaz. / In this work, we improved the CO2 permeability, as well as CO2/CH4 and CO2/N2 selectivity, of mixed matrix membranes (MMM) based on poly(ethylene-b-amide) (PebaxÒ MH-1657) by including metalorganic frameworks (MOF) and aromatic additives. The first part of the work investigated the addition of as-synthesized MOF (MIL-53 and NH2-MIL-53) in PebaxÒ. The favorable interactions between the MOF functional groups and CO2, as well as the absence of major morphological defects, led to improved CO2 separation performance of the membranes. In the second part, a different approach was adopted by studying the effect of aromatic carboxylic acids (benzoic acid and isophthalic acid) on PebaxÒ MH-1657 flat membranes. The carboxyl functional groups have strong affinity for CO2 facilitating the CO2 transport through the membranes leading to higher CO2/CH4 and CO2/N2 selectivity. In the final part, two isoreticular MOF (ZIF-8 and ZIF-67) were introduced in PebaxÒ MH- 1657 to modify its discriminating properties for CO2. ZIF-67 was found to be more effective in facilitating CO2 diffusion due to its more appropriate size of pore aperture, while ZIF-8 was found to improve CO2 solubility due to strong electrostatic interactions with CO2. Overall, the results obtained open the door for further development of polymer membranes for gas separation.

Le biogaz fait partie des stratégies de diversifications des énergies renouvelables à l’échelle européenne. Un des freins technico-économiques à la valorisation en moteur thermique est la formation de dépôts abrasifs résultant de la combustion d'impuretés contenues dans les biogaz notamment les Composés Organiques Volatils du Silicium (COVSi communément appelés siloxanes) qui pénalisent le fonctionnement et les coûts de maintenance associés. L’impact négatif sur la filière est conséquent, de même que celui du sulfure d’hydrogène (H2S). Les recherches, articulées en 3 axes, sont développées avec la volonté de prendre en compte la réalité industrielle : -Analyse de dépôts moteurs prélevés sur plusieurs sites industriels. Ils sont caractérisés par analyses élémentaire, diffraction des rayons X, microcalorimétrie et microscopie électronique. L’objectif est de réfléchir à la possibilité d’utiliser les caractéristiques physico-chimiques d’un dépôt comme un indicateur de la qualité du biogaz dont il est issu. -Comparatif de deux méthodes d’analyses des COVSi, non seulement concernant les biais analytiques liés à la nature même des composés, mais aussi sur les difficultés liées aux prélèvements de biogaz sur site. Les résultats permettent d'appréhender les valeurs absolues des résultats analytiques avec plus de recul et de les pondérer. -Evaluation de traitements épuratoires du biogaz vis-à-vis des COVSi et d’H2S. Un comparatif des performances de plusieurs charbons actifs est réalisé au laboratoire en conditions contrôlées, et sur le terrain. Un réacteur de traitement gaz-liquide est testé sur biogaz réel pour en apprécier les performances vis-à-vis de certains COVSi. L’ensemble de cette étude permet de réfléchir sur la pertinence du choix des critères de qualité d’un biogaz, mais aussi sur les méthodes analytiques d’évaluation de ces critères. Ce dernier point est fondamental pour toute mise en œuvre et dimensionnement d’un système de traitement épuratoire. / As a renewable source of energy, biogas is part of the European strategies of energetic diversifications. However, some biogas impurities hampered economics benefices of recovery by causing damages to industrial process. Amongst these impurities, the worst are Volatile Organic Silicon Compounds (VOSiC commonly named siloxanes) which badly impact the system, as well as hydrogen sulfide (H2S). The approach of this work is developed with the will to take into account the industrial reality: in our case, landfill industries. For that purpose, 3 axes of research have been investigated: The first part deals with the most important barrier for electricity production from landfill gas (LFG), i.e solid oxide deposits in the engines, which increase maintenance costs and frequencies. Deposits from several landfills have been analyzed: elementary analysis, X-Ray diffraction, micro-calorimetry and scanning electron microscopy. The study aim is to develop a reflexion on the possibilities to use physico-chemical properties of a deposit as an indicator of corresponding landfill gas quality. The second part describes a comparison between two analytical methods for VOSiC in LFG. The main focus is not only about analytical bias but also a reflexion dealing with sampling issues. The knowledge of these biases allows the evaluation of analytical results. The third part is dedicated to H2S and VOSiC removal from LFG. An efficiency comparison of several sorbents (activated charcoal) has been performed under field and controlled conditions at laboratory. A gas-liquid pilot system has been built and evaluated with real LFG on site, mainly for VOSiC removal. The overall study provides scientific discussions about the relevance of biogas quality criteria, the efficiency of analytical methods in regards to the design basis of biogas treatment processes.