role du laboratoire d`analyse physico

ULB/IGEAT : TRAVAIL DISCIPLINAIRE ENVIRONNEMENT PAR GIGI WELLO AFUMBA ZAINA
ROLE DU LABORATOIRE D’ANALYSE
PHYSICO-CHIMIQUE DANS LA POLITIQUE
DE TRAITEMENT DE DECHETS
ORGANIQUES ISSUS DE MENAGES ET DE
L’HORECA.
Gigi WELLO AFUMBA ZAÏNA
UNIVERSITÉ LIBRE DE BRUXELLES-IGEAT
27/12/2013
ULB/IGEAT : TRAVAIL DISCIPLINAIRE ENVIRONNEMENT PAR GIGI WELLO AFUMBA ZAINA
ROLE DU LABORATOIRE D’ANALYSE PHYSICO-CHIMIQUE DANS LA POLITIQUE DE
TRAITEMENT DE DECHETS ORGANIQUES ISSUS DE MENAGES ET DE L’HORECA.
I. CONTEXTE ET PROBLEMATIQUE
Influencée par le niveau de vie et/ou la croissance démographique, la consommation
alimentaire ne cesse d’augmenter partout dans le monde. Or, elle s’accompagne d’une
multitude de déchets dont le volume et la masse ne font que croitre. Malheureusement ces
déchets dégradent l’environnement. Il est donc impératif de trouver une solution durable à ce
problème au travers d’une gestion judicieuse des déchets et notamment les déchets organiques
ménagers de même que ceux issus de l’Horeca parce qu’ils sont importants en volume ici en
Région de Bruxelles-Capitale. A cet effet, nous avons choisi la filière de la bio méthanisation
pour mieux les valoriser car c’est la filière qui présente le plus d’intérêt pour cette catégorie
de déchets. En effet, la filière de bio-méthanisation nous semble plus efficiente car elle permet
de réduire un tant soit peu le volume de déchets via la digestion tout en générant du gaz
combustible et des effluents récupérables comme amendements pour le sol agricole.
Toutefois, pour qu’une gestion de ces déchets soit non seulement efficace, mais
surtout efficiente, il faut faire leurs analyses physico chimiques et ce à chaque étape du
processus après la collecte jusqu’aux produits de la bio méthanisation. En effet, la
connaissance de la composition physico-chimique des déchets permet d’une part d’optimiser
la filière valorisation, d'estimer les pollutions possibles de déchets sur l'environnement et sur
l'homme, et d’autre part d'entreprendre des procédures de contrôle et de réduction des
émissions polluantes. C’est pour cela que ce travail disciplinaire a pour objectif de décrire le
rôle d’un laboratoire d’analyses physico chimiques pour une meilleure valorisation des
déchets organiques ménagers et issus de l’Horeca. Ce travail décrira successivement les
diverses analyses physico chimiques et leur importance à chacune des différentes étapes du
processus de la valorisation de ces déchets.
II. MÉTHODOLOGIE DE TRAVAIL
Ce travail se base essentiellement sur la revue de la littérature et un entretien par vidéo
conférence avec le responsable recherche et développement de l’entreprise Green Watt,
spécialisée dans l’étude de faisabilité de la mise au point des unités de traitement de
matières organiques par bio méthanisation.
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Il convient que la connaissance de la composition physico-chimique des ordures
ménagères est un préalable indispensable à une bonne gestion des déchets ménagers. Elle aide
aux choix techniques et d’organisation permettant ainsi des gains d’efficacité et une meilleure
maîtrise des coûts (1) et finalement un meilleur rendement global de la valorisation.
III. QUELQUES DEFINITIONS : voir les détails en annexe (2-8)
1. déchets organiques ?
-Les différentes sources des déchets organiques ménagers et Horeca
2. Centre de tri
3. Centre de Valorisation Organique
4. Traitement de Déchets
5. Gisement déchet
6. Méthanisation
7. Co-produits
IV. RÔLE DU LABORATOIRE d’ANALYSE PHYSICO-CHIMIQUE:
La bio-méthanisation est un processus biologique complexe qui nécessite la mise en place de
certaines conditions physico-chimiques pour lesquelles la réaction biologique est optimisée.
Ainsi le laboratoire d’analyse a pour rôle la détermination de la composition physicochimique et biologique de déchets à valoriser car, l’optimisation de cette valorisation dépend
de ces conditions physico chimiques (pH, température, teneur en azote, carbone, rapport
carbone/azote, matières sèches, métaux lourds, etc.)
Par ailleurs, il ressort des analyses au laboratoire que les déchets organiques soumis à la biométhanisation sont constitués de carbone, de l’azote (qui proviennent de certains aliments
comme les restes de viande par exemple), du chlore issu principalement des restes d’eau de
Javel et produits ménagers, des pesticides résiduels dans les aliments d’origine végétale, et du
PVC d’emballage, ce qui peut provoquer des risques sanitaires importants (qui peuvent aller
des problèmes dermatologiques jusqu’au cancer), de l’arsenic notamment qui est toxique. On
retrouve aussi du souffre ou encore du fluor, du chrome, du cobalt, du cuivre, du plomb, etc.
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Le laboratoire intervient dans un ensemble d’opérations qu’englobe le traitement de déchets
en vue d’une valorisation par bio-méthanisation, et déjà en amont, dès la collecte des substrats
organiques nécessaires. Ensuite il continue d’intervenir tout au long par un processus de suivi
permanent de la transformation des produits jusqu’à leur valorisation. La collecte peut
s'effectuer avec un tri en amont, ce qui facilite ensuite l'organisation du processus de la
méthanisation. Ce rôle est mis en exergue par le logigramme des opérations unitaire du
traitement de déchets (ci-dessous)
Logigramme des opérations unitaire du traitement de déchets
Paramètres Physico-chimiques à déterminer (8-16)
Ces différents paramètres que nous allons énumérer peuvent êtres réalisés selon les méthodes
d’analyses courantes de chimie analytiques (9)
1. Le potentiel Hydrogène, pH : Selon Marouani, le pH peut être un facteur limitant
nécessitant de mesures correctives, des ajouts simultanés de la chaux et de bactéries
méthanogènes pour une optimisation de la dégradation de la matière organique
contenue dans les déchets de fruits et légumes, car le pH dans ce substrat frais est très
acide ce qui favorisera la fermentation acidogène plutôt que celle méthanogène
donnant lieu a l’accumulation des acides gras volatils et des autres produits résultants
de cette fermentation avant d’être utilisés par les bactéries méthanogènes. Le seuil de
variabilité admissible du pH pour la fermentation méthanogène est de 6 à 8.
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En conclusion, la fermentation des déchets de fruits et légumes ne peut démarrer sans
inoculation. Faute de quoi, seule la fermentation acide aura lieu.
2. Température : Ce paramètre influence directement la vitesse de dégradation de la
matière organique et donc la quantité de biogaz produite chaque jour. La fermentation
anaérobie peut avoir lieu à l'intérieure de 3 plages de température correspondant à 3
régimes de fonctionnement de l'unité de méthanisation. En effet, à chacun de ces
régimes correspond une flore bactérienne particulière et implique donc que la
température doit rester le plus stable possible. La règle générale est que plus on
augmente la température, plus la dégradation de la matière est rapide. Tout d'abord, le
régime psychrophile avec une température de fonctionnement comprise entre 15 et
25°C permet de dégrader les substrats introduits en 50 jours environs. Ce régime de
fonctionnement est le moins utilisé sur les installations agro-industrielles. De manière
générale une unité de méthanisation fonctionne à 40°C c'est-à-dire en régime
mésophile où la dégradation de la matière se fait en plus ou moins 30 jours. Il faut
donc chauffer et maintenir le digesteur à cette température grâce notamment à la
chaleur produite par la cogénération. Enfin le régime thermophile : 55°C permet
d'abaisser le temps de dégradation à 15 jours environs. Cependant ce régime de
fonctionnement est le plus sensible et requiert un suivi rigoureux.
3. Rapport azote carbone C//N: Ce paramètre correspond au degré de minéralisation de
la matière organique. Il définit les conditions de nutrition des micro-organismes avec
un optimum pour un rapport égal à 30. On explique la valeur de ce rapport par le fait
que les bactéries consomment environ 30 fois plus de carbone que d'azote. Le carbone
est en effet la source d'énergie principale des bactéries et peut provenir de toutes
matières cellulosique ou riche en carbone organique tels que les huiles, les sucres, la
cellulose. On citera la lignine comme exception. Il doit s'agir de matières
biodégradables. Le laboratoire va déterminer la teneur en Carbone et en Azote de
déchets (gisement) avant, pendant et après la digestion.
4. Matières sèches : Selon la teneur en MS du substrat d’alimentation, le temps de la
dégradation des déchets de fruits et légumes est situé entre 14 et 28 jours. Le meilleur
rendement de la digestion est obtenu pour un taux de MS de 6%. Le passage de 4% à
6% de MS est accompagné par une légère amélioration de l’efficacité de dégradation
du substrat. Par contre le passage de 6% à 8% est suivi d’une diminution de
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l’efficacité de dégradation du substrat, ainsi qu’un abaissement du rendement
biologique de production du biogaz. Ceci est dû au mauvais déroulement de la
digestion à forte teneur en MS, causé par l’accumulation des acides gras volatils et
l’abaissement de pH du milieu.
5. Les inhibiteurs de la méthanisation: Il s'agit de substances qui à partir d'une
concentration peuvent limiter voire arrêter le développement des bactéries
méthanogènes et donc réduire la production de biogaz. Parmi ces substances on trouve
notamment certains antibiotiques, des antiseptiques et des métaux lourds (cuivre,
chrome, nickel, plomb) contenus dans le gisement (déchets).
V. CONCLUSION
En ce qui concerne le rôle du laboratoire d’analyse physico-chimique, Il y a deux étapes
préalables à la gestion des déchets : la première concerne les travaux d’analyse et de tests
de comportement, la deuxième est le choix de la stratégie de gestion la mieux adaptée.
Pour pouvoir faire ce choix de stratégie il faut avoir une bonne connaissance du déchet
que ce soit au plan qualitatif, quantitatif et spatio-temporel, c’est donc dans la première
étape que l’on constate que le laboratoire va jouer un rôle important. La nécessité de faire
une analyse détaillée est conséquent à la composition du déchet qui déterminera en partie
la manière dont il sera traité (14). La bio méthanisation ou la digestion anaérobie est le
processus naturel biologique de la matière organique en absence de l’oxygène. Son bon
fonctionnement de dépollution et de potentialité énergétique est conditionné par les
conditions physico-chimiques (nature, pH, matières sèches…) des substrats mis en œuvre
(13).
Le biogaz de décharge (gaz combustible) produit par la bio-méthanisation est
principalement constitué de méthane et de dioxyde de carbone qui est un gaz naturel
renouvelable. On constatera donc que le rôle du laboratoire physico-chimique est important
ici pour l’extraction de ce dioxyde de carbone en vue de sa réutilisation. Si cette énergie
renouvelable était intelligemment valorisée elle constituerait un gisement non négligeable.
Le rôle du laboratoire physico-chimique est notamment important dans le traitement des
déchets organiques ménagers, principalement parce que le mode de traitement des déchets et
les variations climatiques peuvent faire différer la composition du biogaz en pourcentage de
méthane et de dioxyde de carbone obtenue par le procédé. Différents facteurs influencent ce
processus de biodégradation, tels que la nature des déchets, leur composition, le degré de
compactage des ordures ou encore le taux d’humidité et la température (15). On voit donc
clairement que le laboratoire physico-chimique joue un rôle important dans le traitement des
déchets organiques.
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE : Détails de Définitions
1. déchets organiques ?
En nous basant sur la définition générale de déchet telle que défini par la loi
française, du 15 juillet 1975, comme : " tout résidu d'un processus de production,
de transformation ou d'utilisation, toute substance, matériau ou produit, ou plus
généralement tout bien, meuble abandonné ou que son détenteur destine à
l'abandon ". nous pouvons définir les déchets organiques comme l'ensemble des
résidus, produits et sous-produits organiques engendrés ou issus de produits
agricoles, de pêche, d'élevage et de leurs transformation industrielle et rejetés par
l'homme après consommation (2).
Les différentes sources des déchets organiques ménagers et Horeca
Les différentes sources de déchets organiques sont :
- la fraction fermentescible des déchets ménagers ou collectifs (reste de repas, épluchures,
invendus de grandes surfaces, reste de restauration collective, etc…) ;
- les déchets verts (tonte de pelouses, haies de jardin, feuilles mortes, etc…) ;
-Agriculture : Fruits, légumes frais, crus ou cuits à l’échelle des ménages ou au niveau de
l’Horeca ou transformés par l’industrie agroalimentaire
-Élevage : Viande, Lait, Œufs
-Pêche : Poissons, Crustacées, Mollusques
-Produits Exotiques :
2. Centre de tri : Les déchets triés qui sont collectés en déchetterie à destination
d'un traitement biologique peuvent être collectés, en porte-à-porte ou par bennes
d'apport volontaire mises à disposition par la collectivité. Ils sont ensuite stockés à
l'entrée du centre et contrôlés. Selon les qualités de compost souhaitées, les
déchets peuvent faire l'objet d'un tri préalable : on parlera de tri-méthanisation. Ils
sont ensuite broyés avant de subir les étapes de fermentation. Dans le cas de la
méthanisation, les déchets broyés sont dégradés dans un " digesteur ". Le résultat
de ces dégradations est la production de coproduits biogaz et le digestat
3. Centre de Valorisation Organique
Un Centre de Valorisation Organique (CVO) est une installation de traitement biologique des
déchets qui vise à réduire, en poids et volume les déchets destinés à l'enfouissement. Le CVO
s'intègre dans le schéma global d'élimination des déchets ménagers, en complément des autres
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filières que sont le tri-recyclage et l'incinération. Cette installation peut mettre en œuvre des
procédés :
-de compostage : fermentation aérobie contrôlée (c'est-à-dire en présence de l'oxygène
de l'air) qui aboutit à la production d'un amendement organique ;
-de méthanisation : fermentation anaérobie (en absence d'air) qui aboutit à un
dégagement de biogaz
4. Traitement de Déchets
Défini comme l’ensemble de processus physiques, chimiques, thermiques et biologiques
y compris le tri, qui modifient les caractéristiques de déchets de manières à réduire le
volume ou le caractère dangereux pour en faciliter la manipulation ou à favoriser les
valorisations selon la directive 1996/31/CE du conseil du 26 Avril 1999,concernant la
mise en décharge.(4)
5. Gisement déchet organique (origine et composition): Ce gisement est composé
des matières organiques végétales et animales, telles que : de reste de fruits, des
légumes, des nourritures et de certains polluants introduits de par leur origine
(agriculture, élevage, pêche, produits exotiques). De manière générale les déchets
organiques représentent plus de 50% du poids des poubelles en Belgique (5)
.
Ceux de l’Horeca comptent pour plus de 75% de déchets organiques compostables
triés (6).
6.
Méthanisation : La méthanisation ou digestion anaérobique peut être définie
comme étant le processus de dégradation de la matière organique par des microorganismes dans des conditions d’anaérobiose. Ce phénomène se déroule selon 4
étapes biochimiques comme du fait de l’activité de 3 groupes de microorganismes
qui fonctionnent en syntrophie et se traduit par la formation de biogaz. Ces micro
organismes vivent selon des conditions strictes ou facultatives et jouent un rôle
précis dans le processus de méthanisation dont les 4 étapes principales sont
présentées ci-dessous (7):
- l’hydrolyse : qui se déroule au début de la fermentation et fait appel a des exo enzymes. Il
s’agit de la dépolymérisation en monomères, polysaccharides, les oses (glucose, fructose),
protéines (acides aminés), lipides (acides gras+glycérol)
- Acidogènes : durant laquelle sont formés les acides gras volatils (acide acétique
CH3COOH, acide propionique CH3CH2COOH,…) mais aussi du CO2 et H2, utilisés par les
microorganismes et lors de la production de méthane : CO2+4H2  CH4+2H2O
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- Acétogenèse : Fermentation des produits de l’acidogène (autre que l’acétate) en
acétate, en H2 et CO2. L’Acétate CH3COO- est le substrat permettant la synthèse du méthane
CH4
- Méthanogenèse : est assurée par les bactéries méthanogènes pour la formation du méthane
(CH4) à partir de la réduction du CO2 par H2 : CO2+4 H2  CH4+2H2O
7. Coproduits: - bio gaz (gaz combustible) produit par la bio-méthanisation est
principalement constitué de méthane et de dioxyde de carbone qui est un gaz
naturel renouvelable (1). Mais ce biogaz peut contenir des polluants induits par le
gisement déchet (liés au substrat dont ils sont issus) tels que les composés
organiques volatils, COV et les métaux lourds. Bien qu’ils occupent une présence
moindre, ces polluants doivent être considérés dans le cadre de la protection de
l’environnement et de la santé. On constatera donc que le rôle du laboratoire
physico-chimique est important ici pour l’identification de différents polluants et
de mesure de dépollution.
Le digestat : est défini comme étant un résidu solide ou liquide
provenant d’un processus de digestion anaérobie de matières
organiques. Sa composition est directement liée à celle du type de
matière entrante ce qui implique de veiller à la qualité des déchets
traités et de définir des cahiers des charges "qualité" pour ce produit. Il
est composé d’azote, de phosphore, potassium et calcium. Les
débouchés des composts issus des digestats sont fonction de leur
qualité.
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