Plateforme technologique ACTIPOLISH®

BIOGAZ ET BIOMÉTHANE

Présentation générale détaillée : production, composition, contaminants et purification

DOSSIER TECHNIQUE — PAGE 01 / 05

1. La méthanisation et la formation du biogaz

La méthanisation, également appelée digestion anaérobie, repose sur l'action coordonnée de populations microbiennes dans un milieu privé d'oxygène.
Les matières organiques biodégradables y sont transformées en un mélange gazeux dominé par le méthane (CH4) et le dioxyde de carbone (CO2), tandis qu'une fraction de la matière demeure sous forme de digestat.

Ce processus intervient spontanément dans certains milieux naturels, mais les installations industrielles le réalisent dans des digesteurs fermés afin de maîtriser les températures, les temps de séjour, l'alimentation, le brassage et la collecte du gaz. La stabilité biologique dépend notamment du pH, de l'équilibre nutritif, de l'absence d'inhibiteurs et de la régularité des intrants.

Étape biologique	Transformation principale	Conséquences pour le procédé
Hydrolyse	Décomposition des polymères organiques en composés plus simples.	Conditionne l'accessibilité des substrats aux microorganismes.
Acidogenèse	Formation d'acides organiques, d'alcools et de gaz intermédiaires.	Risque d'accumulation d'acides en cas de déséquilibre.
Acétogenèse	Transformation des intermédiaires en acétate, CO2 et hydrogène.	Préparation des substrats méthanogènes.
Méthanogenèse	Production de méthane notamment à partir de l'acétate et du couple CO2/H2.	Production énergétique finale.

Les installations fonctionnent généralement en régime mésophile ou thermophile.
Le biogaz produit est humide et contient des impuretés dont la nature dépend des substrats.

2. Les matières premières méthanisables

La diversité des matières organiques constitue l'une des principales caractéristiques de la filière.
Elle explique également la variabilité de composition des biogaz produits.

Origine	Matières utilisées	Points d'attention
Agriculture et élevage	Lisiers, fumiers, résidus végétaux, coproduits agricoles.	Variations saisonnières, teneurs en soufre et azote.
Agroalimentaire	Graisses, lactosérum, résidus alimentaires, effluents organiques.	Potentiel méthanogène parfois élevé, risques de surcharge.
Collectivités	Biodéchets et déchets alimentaires.	Hétérogénéité et présence d'indésirables.
Stations d'épuration	Boues primaires et biologiques, graisses.	Composés soufrés et siloxanes possibles.
Industries diverses	Effluents et résidus organiques compatibles.	Vérification des inhibiteurs biologiques.

La codigestion permet de combiner différents substrats afin d'améliorer les apports nutritifs et la productivité.
Elle impose cependant une maîtrise des charges organiques et des conditions de fonctionnement.

3. Composition chimique des biogaz

Le biogaz brut ne possède pas de composition chimique unique.
Les proportions de méthane et de dioxyde de carbone varient avec l'origine des matières et les conditions de digestion.

Constituant	Présence indicative	Importance industrielle
Méthane CH4	Environ 45 à 75 % en volume.	Fraction énergétique valorisable.
Dioxyde de carbone CO2	Souvent 25 à 50 %.	Réduction du pouvoir calorifique volumique.
Vapeur d'eau	Gaz souvent proche de la saturation.	Condensation et corrosion.
Hydrogène sulfuré H2S	De traces à plusieurs milliers de ppm, parfois davantage.	Toxicité, corrosion et désulfuration.
Mercaptans R-SH	Concentrations variables.	Odeurs et soufre organique résiduel.
Ammoniac NH3	Variable selon les intrants.	Contraintes de qualité du gaz.
Azote, oxygène, hydrogène	Variables selon les procédés.	Qualité et sécurité.
Siloxanes et COV	Présence dépendant de l'origine.	Dépôts, encrassement et émissions.

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur généraux et ne constituent pas une analyse contractuelle d'un biogaz particulier.

Le pouvoir calorifique inférieur dépend principalement de la proportion de méthane.
Un biogaz contenant environ 60 % de CH4 possède un PCI voisin de 6 kWh/Nm3, selon les conditions de référence et sa composition exacte.

4. Variations de composition selon l'origine

Les caractéristiques des biogaz diffèrent selon les installations et peuvent évoluer dans le temps.
Ces variations influencent directement le choix et le dimensionnement des traitements.

Filière	Caractéristiques	Conséquences
Méthanisation agricole	CH4 et CO2 majoritaires ; H2S parfois élevé.	Dimensionnement sur les charges réelles et les pointes de concentration.
Boues de STEP	Biogaz humide ; H2S et siloxanes possibles.	Désulfuration et étude des contaminants spécifiques.
Biodéchets et agroalimentaire	Composition dépendant des intrants.	Adaptation aux changements de matières.
Gaz de décharge	Variations CH4/CO2 ; azote, oxygène et composés traces possibles.	Analyses élargies et contrôle des entrées d'air.

La caractérisation doit associer les concentrations en polluants au débit gazeux afin de déterminer les charges massiques à traiter.

5. Les composés soufrés et leurs conséquences

Le sulfure d'hydrogène résulte notamment de la transformation biologique de constituants soufrés.
Il représente un problème majeur de sécurité, de corrosion et de fiabilité des équipements.

5.1 Toxicité et sécurité

L'H2S est un gaz très toxique. Son odeur ne constitue pas un dispositif de détection fiable.
Les installations doivent intégrer les mesures de sécurité, la ventilation, la détection instrumentale et les procédures d'intervention.

5.2 Corrosion

En présence d'humidité, les composés soufrés peuvent contribuer à la corrosion des réseaux et des équipements.
Leur combustion peut également produire des oxydes de soufre.

5.3 Nuisances olfactives

Les mercaptans possèdent généralement des seuils olfactifs faibles.
Leur présence doit être recherchée indépendamment de l'H2S afin de caractériser correctement la charge soufrée totale.

Polluant	Conséquences	Traitement recherché
H2S	Toxicité, corrosion, émissions soufrées.	Abattement contrôlé.
Mercaptans	Odeurs, soufre organique.	Traitement ciblé.
Autres espèces soufrées	Effets variables selon la molécule.	Identification et validation du traitement.

6. Les autres impuretés problématiques

Outre les composés soufrés, les biogaz peuvent contenir différents contaminants susceptibles de compromettre leur valorisation énergétique.

Impureté	Conséquences possibles	Traitement ou étude
Vapeur d'eau	Condensation, corrosion.	Refroidissement et déshydratation.
Siloxanes	Dépôts de silice lors de la combustion.	Adsorption ou étude de captage par lavage.
Composés organiques volatils	Odeurs, émissions, incompatibilités.	Traitement adapté à leur nature.
Composés halogénés	Corrosion et émissions.	Identification et traitement spécifique.
Particules et aérosols	Encrassement des équipements.	Séparation mécanique et filtration.

6.1 Cas particulier des siloxanes

Les siloxanes volatils sont des composés organosiliciés rencontrés notamment dans certains biogaz de stations d'épuration et de déchets.
Leur combustion peut conduire à des dépôts minéraux abrasifs dans les équipements énergétiques.

Outre les procédés conventionnels d'adsorption, le lavage gaz-liquide en milieu alcalin peut être étudié comme voie complémentaire de captage des siloxanes.
Leur transfert et leur entraînement éventuel dans la phase sodique ne nécessitent pas obligatoirement leur destruction chimique.

7. Les différentes valorisations énergétiques

Le biogaz constitue une ressource énergétique renouvelable susceptible de remplacer une partie des combustibles fossiles.
Son utilisation dépend de sa qualité, de sa composition et des contraintes locales.

Valorisation	Principe	Exigences principales
Production de chaleur	Combustion en chaudière.	Qualité compatible avec le brûleur et maîtrise des composés corrosifs.
Cogénération	Production simultanée de chaleur et d'électricité.	Protection des moteurs contre H2S, siloxanes et humidité.
Biométhane injecté	Épuration puis injection dans un réseau gazier.	Respect des spécifications de qualité du réseau.
BioGNV	Biométhane utilisé comme carburant.	Épuration, compression et conformité aux exigences applicables.

La valorisation énergétique exige une maîtrise des impuretés pour assurer la fiabilité, la sécurité et la durée de vie des installations.

8. Du biogaz brut au biométhane

La transformation du biogaz brut en biométhane nécessite une succession d'opérations de purification.
La désulfuration n'en constitue qu'une étape.

Étape	Fonction	Résultat attendu
1. Préparation	Régulation, séparation des liquides et particules.	Gaz préparé pour le traitement.
2. Désulfuration	Réduction de l'H2S et éventuellement des composés soufrés organiques.	Protection des équipements.
3. Traitements complémentaires	Réduction des siloxanes, COV ou autres contaminants.	Qualité adaptée à la valorisation.
4. Déshydratation	Élimination contrôlée de l'eau.	Maîtrise du point de rosée.
5. Séparation du CO2	Enrichissement du gaz en méthane.	Production de biométhane.
6. Contrôle final	Analyses et conditionnement.	Conformité aux exigences d'utilisation.

La séparation du CO2 peut notamment faire appel aux membranes, aux procédés PSA, aux lavages physiques ou chimiques et à certaines technologies cryogéniques.

9. Technologies conventionnelles de purification

Les procédés de purification existants reposent sur différents mécanismes physiques, chimiques ou biologiques.
Ils peuvent être utilisés séparément ou combinés.

Technologie	Principe	Contraintes principales
Sels de fer	Fixation d'une partie du soufre dans le digesteur.	Consommation de réactifs, effets sur le digestat.
Charbon actif	Adsorption des polluants.	Saturation et remplacement des médias.
Désulfuration biologique	Oxydation biologique des espèces soufrées.	Conditions biologiques et pilotage.
Lavage alcalin ou oxydant	Absorption et réactions en phase liquide.	Réactifs, effluents et maintenance.
Membranes et PSA	Séparation des constituants gazeux.	Prétraitement, énergie et pertes éventuelles de méthane.

Le choix d'une technologie dépend des débits, des concentrations, des objectifs de purification, des investissements et des coûts d'exploitation.

10. Contraintes d'exploitation

Les installations de méthanisation présentent des conditions de fonctionnement variables.
La composition du biogaz évolue selon les matières introduites, les charges biologiques et les paramètres opératoires.

10.1 Débit et charge polluante

Le dimensionnement doit intégrer le débit nominal, les débits extrêmes et les concentrations maximales susceptibles d'être rencontrées.

10.2 Variations de concentration

Des augmentations rapides de la teneur en H2S peuvent survenir lors de changements d'intrants.
Le traitement doit être adapté à ces fluctuations.

10.3 Contact gaz-liquide

Les installations de lavage nécessitent une étude du temps de contact, du débit de recirculation, des pertes de charge et des conditions de transfert entre phases.

10.4 Surveillance analytique

Le contrôle des concentrations à l'entrée et à la sortie du traitement permet d'évaluer les performances et de détecter une évolution des conditions d'exploitation.

11. Enjeux économiques et environnementaux

L'épuration des biogaz représente un enjeu économique important.
La protection des installations, la disponibilité des équipements et la maîtrise des coûts d'exploitation conditionnent la rentabilité des projets.

Critère	Éléments à considérer
Investissement	Équipements, instrumentation, génie civil et sécurité.
Consommables	Réactifs, médias, eau et autres intrants.
Énergie	Pompage, ventilation, compression et refroidissement.
Maintenance	Nettoyage, remplacement des pièces, analyses et interventions.
Résidus	Solutions usées, médias saturés et traitement aval.
Performance	Qualité du gaz, disponibilité et robustesse face aux variations.

Le bilan environnemental global dépend également de l'origine des matières, des transports, des émissions fugitives de méthane et de la valorisation du digestat.

12. La place d'ACTIPOLISH® dans la filière biogaz

ACTIPOLISH® constitue la plateforme technologique développée par PTC Systems pour la destruction chimico-biologique de polluants présents dans les milieux gazeux et liquides.

Elle associe une transformation chimique ciblée et une biodégradation confirmée des produits réactionnels, sans formation de nouveaux polluants selon les résultats communiqués par PTC Systems.

Dans la filière biogaz, son intérêt principal concerne le traitement de l'hydrogène sulfuré et des mercaptans par contact gaz-liquide.

12.1 Deux formulations complémentaires

Formulation	Caractéristiques	Positionnement
ACTIPOL®	Solution alcaline à 21,2 % d'actif.	Traitement ciblé de l'H2S et des mercaptans.
BIOPOL®	Solution carbonatée à 5 % d'actif.	Formulation privilégiée pour certains gaz riches en CO2.

La sélection de la formulation dépend de la composition du gaz, de la charge soufrée, de la présence de CO2 et des contraintes de fonctionnement.

12.2 Une opération ciblée dans la chaîne de purification

ACTIPOLISH® peut être étudié comme étape de désulfuration ou de traitement complémentaire dans une installation existante ou nouvelle.

Il ne remplace pas, par principe, la déshydratation et la séparation du CO2 nécessaires à la production de biométhane.

Concernant les siloxanes, leur captage physique éventuel par lavage et entraînement dans la phase sodique constitue une possibilité complémentaire à évaluer expérimentalement, sans supposer obligatoirement leur destruction chimique.

12.3 Résultats et validation industrielle

PTC Systems dispose de références d'essais sur des flux gazeux contenant de l'H2S et des mercaptans, avec des résultats rapportés sous les limites de détection des analyses mises en œuvre.

Les conditions opératoires, les consommations de réactifs et les résultats détaillés seront présentés dans la cinquième page du dossier.
Leur transposition à une nouvelle installation nécessite une étude des conditions réelles et, si nécessaire, des essais de qualification.

Références générales

Agence internationale de l'énergie : Outlook for Biogas and Biomethane .

IEA Bioenergy Task 37 : Biogas upgrading technologies .

PTC Systems : Documentation biogaz .

PTC Systems — ACTIPOLISH®

www.ptc.systems