Prétraitement du biogaz : H₂S, siloxanes, eau et COV avant l’épuration

Le prétraitement du biogaz consiste à éliminer, avant la séparation proprement dite du CO₂, les composants qui détruisent les équipements ou perturbent le procédé : le sulfure d’hydrogène (H₂S), l’eau, les siloxanes, les composés organiques volatils (COV), l’ammoniac et les particules solides. C’est une étape qui conditionne la disponibilité de l’installation et qui est parfois sous-estimée dans les budgets. La chaîne typique est la désulfuration dans le digesteur (biologique ou chimique), le séchage par refroidissement, la filtration et le polissage sur charbon actif.

Sulfure d’hydrogène (H₂S)

La concentration de H₂S dans le biogaz issu de lisier et d’ensilages est parfois de l’ordre de centaines de ppm, et à partir de substrats protéiques et de déchets de plusieurs milliers de ppm. Le H₂S provoque la corrosion, empoisonne les sorbants et, après combustion, forme des acides sulfuriques. Méthodes :

1. Désulfuration biologique dans le digesteur – l’introduction d’une petite quantité d’air (généralement jusqu’à quelques pour cent du volume de biogaz) provoque l’oxydation du H₂S par des bactéries en soufre élémentaire. Elle est simple et peu coûteuse, mais élève la teneur en azote et en oxygène du biogaz, ce qui compte pour le biométhane, car cela limite la possibilité d’éliminer le N₂ et l’O₂ aux étapes suivantes.
2. Désulfuration chimique – le dosage de sels de fer dans le substrat ou le digesteur fixe le soufre sous forme de sulfures.
3. Laveurs biologiques et chimiques – colonnes séparées dans lesquelles le H₂S est oxydé ou absorbé.
4. Adsorption sur charbon actif ou oxydes de fer – polissage jusqu’à un niveau de quelques ppm.

En pratique, on applique une combinaison : désulfuration grossière dans le digesteur ou dans une colonne et polissage final sur lit.

Eau

Le biogaz quitte le digesteur saturé de vapeur d’eau. Le séchage s’effectue par refroidissement à quelques degrés Celsius (le condensat est évacué), puis par réchauffage afin d’abaisser l’humidité relative. Un séchage poussé est parfois réalisé par adsorption (gel de silice, tamis moléculaires), en particulier en amont de la cryogénie. Le condensat contient du H₂S dissous et d’autres composés, il doit donc être valorisé conformément à la réglementation.

Siloxanes et COV

Les siloxanes sont présents dans les cosmétiques, les détergents et les produits d’entretien, de sorte qu’ils arrivent dans le biogaz principalement avec les déchets municipaux, les boues d’épuration et le biogaz de décharge ; dans le biogaz agricole, ils sont nettement plus rares. Lors de la combustion dans un moteur, ils forment des dépôts siliceux, et dans l’épuration, ils encrassent les membranes et les sorbants. On les élimine par charbon actif ou par des adsorbants spéciaux, et le lit est remplacé une fois épuisé. Les COV (hydrocarbures aromatiques, terpènes, composés halogénés) s’adsorbent eux aussi sur le charbon actif. Leur concentration dépend du substrat – par exemple, les déchets de transformation de fruits ou les ensilages peuvent contenir des terpènes.

Ammoniac et particules

L’ammoniac dans le biogaz est généralement éliminé lors du refroidissement et de la condensation ainsi que dans un laveur. Des filtres coalesceurs retiennent les aérosols (huile, gouttelettes) qui pourraient bloquer les membranes ou le sorbant.

Ordre des équipements

Ordre typique : digesteur (désulfuration biologique) → refroidissement et condensation → compresseur préliminaire → nouveau refroidissement et séparation du condensat → filtre coalesceur → lit de charbon actif (H₂S, COV, siloxanes) → épuration. Il est important que le charbon actif travaille dans un gaz à faible humidité relative, car l’humidité abaisse sa capacité de sorption.

Exemple : remplacement du lit de charbon

Hypothèses : 800 m³/h de biogaz, polissage du H₂S de 100 ppm à moins de 2 ppm. Masse de H₂S à éliminer : 100 ppm × 800 m³/h = 0,08 m³/h de H₂S ≈ 0,08 × 1,54 kg/m³ ≈ 0,12 kg/h, soit environ 990 kg par an pour 8000 h. Si le charbon a une capacité de travail d’environ 15 % de la masse de H₂S (hypothèse illustrative – la valeur dépend du produit et des conditions), il faut environ 6,6 t de charbon par an. Cette masse montre qu’il vaut la peine de réduire les fortes concentrations de H₂S par des méthodes moins coûteuses en amont du charbon, et de ne laisser au polissage que la finition.

Erreurs de conception

• Omission de la variabilité de la composition du biogaz (de nouveaux substrats élèvent le H₂S).
• Absence de redondance – un seul lit signifie un arrêt lors du remplacement.
• Sous-estimation de l’influence de l’air de la désulfuration biologique sur la teneur en O₂ et en N₂.
• Refroidissement trop faible, qui provoque une condensation dans le compresseur.
• Absence de mesures du H₂S en amont et en aval du lit, ce qui empêche de planifier les remplacements.

Contrôle et documentation

Avant de commander l’installation, faites réaliser une analyse du biogaz portant sur au moins quelques semaines de fonctionnement, en tenant compte de différents mélanges de substrats, et fixez sur cette base les concentrations de conception pour le H₂S, les siloxanes et les COV avec une marge. Après la mise en service, tenez un journal des remplacements de lits et des résultats de mesures, car ce sont des données nécessaires tant à la planification de la maintenance qu’aux discussions de garantie avec le fournisseur de membranes ou de sorbant. Les fabricants subordonnent généralement la garantie au maintien du gaz d’entrée dans des limites définies, de sorte que l’absence de documentation du prétraitement peut signifier la perte de la garantie.

Synthèse

Un prétraitement bien conçu est le moyen le moins coûteux de protéger les coûteux modules d’épuration. Il convient de planifier dès le début les mesures et le stock de consommables.