Expérimentation de la bio méthanisation des fientes de poule de race locale

INTRODUCTION

 L’énergie est l’un des facteurs le plus important dans le développement d’un pays. Cependant, le prix du baril comme le cas du pétrole s’accroît d’année en année depuis 2003 sur le marché international. Par rapport à cela, le monde connait trois crises différentes apparues en 1973, 1979 et en 2008. Ces crises sont connues sous le nom de « choc pétrolier ».La variation de ce prix pose un grand problème aux divers pays, en particulier pour les pays en voie de développement (BEANJARA, 2006). L’utilisation des énergies fossiles est un phénomène mondial. Cette constatation s’oriente sur deux plans : le plan écologique et le plan économique (MANOELY, 2010). De cette manière, il faut trouver d’autre alternative pour combler et satisfaire les besoins en énergie au niveau mondial. De ce fait, il faut s’étendre vers les énergies renouvelables.Le biogaz est une source d’énergie renouvelable. Il est issu de la bio méthanisation des déchets organiques. Ce phénomène est naturel et peut être optimisé dans des digesteurs. Le biogaz est composé principalement d’un gaz inflammable énergétique. Ce gaz énergétique est le méthane ou CH4. En terme de production, la production de biogaz par la bio méthanisation dépend de la nature du substrat (TAHRI et al., 2012). A Madagascar, l’effectif de la population ne cesse pas d’augmenter. La demande et la consommation en énergie évoluent en même temps avec cette augmentation. Néanmoins,pour Madagascar, il est difficile d’ignorer la forte dépendance de la population en énergie avec l’exploitation de l’environnement. Cependant, la destruction de l’environnement peut devenir un grand problème. Actuellement les consommations en énergie à Madagascar s’élèvent comme suit : 84% en bois et dérivées de bois, 11% en produits pétroliers, 5% en électricité et autres (INDIANOMBOMAZAVA, 2010). De ce fait, la population Malgache utilise en majorité des énergies difficilement renouvelables. Cependant, Madagascar est connu pour sa vocation agricole, où il y a interaction entre les activités d’agriculture et d’élevage. Pour les produits d’élevage, il y a les parties consommables et les parties non consommables. Ces dernières sont connues sous le nom de rejet d’élevage ou des sous-produits. Les rejets d’élevage sont qualifiés de pollueur pour l’environnement (RAZANAPARANY, 2005).Pour pallier à ce problème sur l’utilisation des énergies non renouvelables et le fait que les déchets d’élevages sont qualifiés de pollueurs ; il faut trouver des moyens de traitement ou de transformation de ces déchets d’élevages. Une supposition se pose, c’est le fait de valoriser ces déchets d’élevages comme étant une énergie utilisable. La solution c’est de pratiquer la bio méthanisation pour produire du biogaz. A Madagascar, plusieurs types de substrats peuvent contribuer à la production de biogaz en terme d’élevage. Chez les éleveurs Malgaches, il y a constatation de l’existence de plusieurs filières et c’est le cas de l’élevage des poules de race locale ou « Akoho Gasy ». Cependant, des études existent déjà pour la valorisation de certains déchets d’élevages à Madagascar, mais ce n’est pas le cas pour la fiente de poule de race locale, d’où cette étude.

BIO METHANISATION

Depuis le XVIIème siècle jusqu’au temps actuel, la définition de la bio méthanisation a évolué. Vers 1630, VAN LENOND découvre que la fermentation de la matière organique dégage du gaz inflammable. A cette époque, la bio méthanisation est juste considérée comme étant une fermentation anaérobique de la matière organique (RICARD et al., 2010).En 1804 – 1810, DALTON, HENRY et DAVY découvrent la composition chimique du méthane. Ils montrent que le méthane peut être produit par bio méthanisation. Ils définissent cette dernière d’une façon limitée comme étant la décomposition des résidus animaux (FAO, 1994).En 1884, GAYON fait des études auprès de PASTEUR sur la fermentation du fumier de vache. Il fait la conclusion que le processus de la bio méthanisation est relié à une activité microbienne. A partir de cette période, la bio méthanisation est définie comme étant la fermentation microbienne d’un substrat (FAO, 1994). Vers 1981, HOBSON et al. considèrent une nouvelle définition de la bio méthanisation. Pour eux, cette définition est : « La méthanisation c’est la minéralisation d’un substrat complexe, contenant généralement des carbohydrates, des lipides, des protéines, des composés azotés non protéiques, des sels et matériaux non fermentescibles, pour aboutir à la formation de gaz (CO2, CH4 , H2S, NH3), des corps microbiens, des déchets stabilisés déshydratés, et d’eau. » (HAMDI, 1991). En 1987, OLLIVIER annonce une autre définition qui est : «La méthanisation ou bio méthanisation, appelée encore fermentation méthanique ou digestion anaérobie, est un processus anaérobie strict de conversion d’un substrat carboné en acides gras volatils, acides organiques, alcools, gaz carbonique et hydrogène puis finalement en méthane.». En 2004, MOLETTA présente sa définition de la bio méthanisation qui est : « La méthanisation ou encore appelée digestion anaérobie est la transformation de la matière organique en biogaz composé principalement de méthane et de gaz carbonique par un consortium microbien fonctionnant en anaérobiose.». Pour RANDRIAMAITSO en 2006, sa définition de la bio méthanisation est : « La bio méthanisation ou la méthanisation ou encore la fermentation méthanique est la décomposition bactérienne des matières organiques d’origine animale, végétale en milieu anaérobie (dans le digesteur) qui conduit à la formation du biogaz. ». En 2012, TAHRI et al. proposent une autre définition qui est : « La bio méthanisation est un procédé biologique de dégradation de la matière organique par une flore microbienne en absence d’oxygène.». Parmi ces définitions, la définition de TAHRI et al. (2012) est considérée comme acquis car elle est la plus récente.

Digestat

  Le digestat, c’est le résidu de la fermentation méthanique. Il est le coproduit secondaire de la bio méthanisation (SADAK et BAREK, 2013). Il peut être décomposé en deux fractions : la fraction solide et la fraction liquide. La fraction solide est connue sous le nom de méthacompost ou digestat solide. Cependant pour la fraction liquide, elle peut être appelée digestat liquide ou encore jus de process (SADAK et al., 2011). Le digestat est plus homogène. Il a une charge polluante faible par rapport à son substrat. De plus, sa qualification captive les pratiques agrobiologiques qui sont une tendance actuelle (SADAK et BAREK, 2013). La manipulation du digestat est facile à cause de sa consistance plus liquide par rapport à l’intrant. Il est intéressant car après la bio méthanisation, l’azote se retrouve principalement sous forme ammoniacale qui est plus accessible par les plantes. Autre que l’azote, la majorité des éléments sont sous une forme minérale. La forme minérale est plus disponible pour les cultures (RICARD et al., 2010).La valorisation du digestat intéresse surtout le domaine de l’agriculture en tant que fertilisant. La composition du digestat dépend de ses substrats et de la typologie de sa bio méthanisation. En générale, la fraction liquide contient moins de matière organique, mais dispose d’une teneur élevée en azote ammoniacale par rapport à la fraction solide (RICARD et al., 2010). Pour le digestat solide, après séchage il peut être utilisé comme combustible (FAO, 1994). La capacité fertilisante du jus de process est appréciée pour arroser les cultures (SADAK et al., 2011). Le digestat liquide peut aussi être ajouté au compostage pour provoquer sa maturation (TSOALAZA, 2008). En terme d’élevage, les digestats peuvent améliorer le développement des planctons et nourrir les poissons (FAO, 1994).

Importances sociales de la biométhanisation

  La pratique de la bio méthanisation améliore la disponibilité en énergie utilisable pour la population (MERES, 2005). Au niveau rural, la bio méthanisation permet d’améliorer les conditions de vie de la population. Cette amélioration s’oriente sur le fait de la réduction du temps nécessaire à la collecte du bois de chauffage. De plus, la valorisation des énergies à partir du biogaz élimine les maladies respiratoires qui sont provoquées par les fumées issues de la combustion de bois ou autres (CELERIER, 2012).Dans la société, l’existence des odeurs des déchets d’élevage est un problème. La bio méthanisation permet d’éliminer les odeurs liée au traitement habituel des déchets. Elle constitue une activité de dépollution. Elle forme une alternative à l’enfouissement et constitue une solution au niveau de l’environnement social (RAHARIJAONA, 2006). Socialement, la bio méthanisation est intéressante pour les régions fortement peuplées, où la disponibilité en combustible constitue un problème. Pour les agriculteurs, l’application de la bio méthanisation représente un complément d’activité (RAHARIJAONA, 2006). Dans les zones ruraux, vue la difficulté de l’accessibilité à électricité, la pratique de la bio méthanisation peut jouer son rôle (INDIANOMBOMAZAVA, 2010).

Importances environnementales de la biométhanisation

  Les déchets contiennent de la biomasse et peuvent participer à la production des énergies renouvelables (EDORA et VALBIOM, 2012). Le recours aux énergies renouvelables est une stratégie pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Cette stratégie est énoncée par le protocole de Kyoto. Le fait de recycler, puis de composter les déchets d’élevage par bio méthanisation est une solution (CELERIER,  2012). L’application de la bio méthanisation permet de préserver les ressources naturelles en limitant les impacts négatifs sur l’environnement (MERES, 2005). L’utilisation du biogaz contribue largement à la réduction de la déforestation. Pour 1m3 de biogaz utilisé en cuisson, son équivalence est de 0,33ha de surface en culture de bois (RAHARIJAONA, 2006). Autrement dit, la bio méthanisation compense l’utilisation du bois et du charbon traditionnel. De cette manière, la bio méthanisation permet de préserver les arbres. La préservation des arbres favorise la protection des sols, la quantité et la qualité de la ressource en eau, sans oublier la préservation de la qualité de l’air (CELERIER, 2012).Les déchets d’élevage polluent l’environnement et influencent la couche d’ozone. La couche d’ozone est influencée surtout par le dégagement de méthane et de gaz carbonique provenant des déchets d’élevage. L’application de la bio méthanisation minimise les problèmes énergétiques et écologiques. La bio méthanisation permet de réduire la propagation du méthane dans l’atmosphère. Cependant, la valorisation directe du biogaz comme combustible favorise la production de CO2 qui reste un gaz à effet de serre. Néanmoins, il est intéressant de faire propager du CO2 par rapport au Méthane. La raison c’est au niveau de la référence du potentiel d’effet de serre globale pour ces différents gaz. Le méthane dispose d’un potentiel d’effet de serre globale à long terme 35 fois plus grand que celui du gaz carbonique (MERES, 2005).Enfin, la bio méthanisation réduit aussi les charges polluantes de l’environnement d’une façon microbiologique et parasitaire. Les déchets sont souvent des sources d’agent pathogène responsable de maladie. Par le fait de la bio méthanisation, il y a amélioration de la situation d’hygiène (RANDRIAMIARISOA, 2006).

Caractéristiques des fientes de poule de race locale

Caractéristiques sensorielles Les fientes de poule de race locale sont caractérisées par une odeur forte et assez désagréable. L’étude a montré que les fientes sont caractérisées par une texture molle et sableuse. Ces caractéristiques sont causées probablement par le mode de digestion des aliments par les volailles qui nécessite des graviers. Il est observé que la couleur des fientes de poule de race locale varie entre marron et verte, avec des taches blanchâtre (figure 3). La variation de la couleur est influencée par l’alimentation mais aussi par les métabolismes digestifs des aliments.
Taux d’humidité et matière sèche Le taux d’humidité moyenne est constaté à 54,69±0,85% (n= 5). Le taux de matière sèche pour les fientes de poule de race locale est calculé à 45,31±0,85% (n= 5). Ce qui signifie que les fientes de poule de race locale sont caractérisées en majorité d’humidité. Ce résultat est causé généralement par le fait que les fientes de poule sont composées par des fèces et des urines.
Matière grasse Le résultat d’analyse du laboratoire de Chimie au sein du DPV Nanisana a montré une teneur en matière grasse des fientes à 1,66% par rapport à la matière brute. Par rapport à la matière sèche, elle est calculée à 3,68%. Ainsi, il est remarqué que le taux de matière grasse
est légèrement petit pour les fientes de poule de race locale. Il est probablement influencé par le mode d’alimentation des poules.
pH Le pH de la fiente de poule de race locale est évalué à 8,56. Ce qui signifie que les fientes de poules sont caractérisées par un pH basique. Il est suggéré que le niveau du pH des fientes est lié à sa composition chimique.
Carbone organique et carbone minéral Le résultat d’analyse du laboratoire des Sols Tsimbazaza a montré une teneur en carbone organique de 29,02% de la MS et une teneur en carbone minéral de 16% de la MS. Il est remarqué que les fientes de poule de race locale sont composées de carbone sous forme organique que de carbone sous forme minéral. Comme les fientes sont des produits de digestion, la teneur en carbone est influencée par cette digestion. De plus, la fiente est qualifiée plutôt d’un déchet organique que d’un déchet minéral.
Eléments minéraux (N, P, K, Ca et Mg)
Tableau  : Teneurs des éléments minéraux

Eléments minéraux Teneur en % MS
N (Azote) 3,21
P (Phosphore) 1,38
K (Potassium) 1,10
Ca (Calcium) 2,90
Mg (Magnésium) 0,63

La teneur en N, P, K, Ca et Mg de la fiente de poule de race locale sont montrées par le tableau . Il est constaté que la teneur en azote de 3,21%MS est la plus élevé par rapport aux autres. La teneur en Phosphore de 1,38%MS est rapprochée à la teneur en Potassium entre une échelle de 0,28%MS. Pour les fientes de poule de race locale, une teneur 2,90%MS est constatée pour la disponibilité en Calcium. La teneur de 0,63%MS est destinée pour la disponibilité en Magnésium. Ces résultats ont montrés l’existence et la composition en N, P, K, Ca et Mg des fientes de poule de race locale. La teneur en azote est influée principalement par la quantité d’urine présente dans la fiente. Pour les autres éléments, ils sont influencés fortement par le mode d’alimentation des poules.
Matière organique Le résultat du calcul sur la teneur en matière organique a montré une valeur de 49,91%MS. Ce qui signifie que les fientes de poule de race locale sont caractérisées par une quantité en matière organique et en cendre environ égal. Généralement, ce résultat est influencé par plusieurs paramètres comme le cas de l’alimentation et la digestion.
Pourcentage en protéine totale Un pourcentage de 20,06%MS est calculé pour la protéine totale présente dans les fientes de poule de race locale. Ce qui signifie que par rapport au pourcentage en matière organique de 49,91%MS, le 20,06% est représenté par des protéines. Elle est favorisée par la disponibilité en protéine présente dans les excréments issus de la digestion des aliments.
Pourcentage en matière glucidique Pour les fientes de poule de race locale, le pourcentage en matière glucidique est calculé à 26,17%MS. Il est remarqué que par rapport à la matière organique, la disponibilité en matière glucidique est élevée, contre la matière protéique (20,06%MS) et la matière glucidique (3,68%MS). En majorité, ces résultats sont influencés probablement par le mode d’alimentation ainsi que le mode de digestion.
Rapport C/N La valeur du rapport C/N pour les fientes de poule de race locale est calculée à C/N=9,04. Ce qui signifie que les fientes de poule de race locale sont caractérisées par neuf fois plus de carbone que d’azote. L’intégration de l’urine dans les fientes a favorisé l’augmentation de la teneur en azote. Le résultat du rapport C/N est influencé par cette augmentation de la teneur en azote.

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Table des matières

REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIERES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ANNEXES
LISTE DES ABREVIATIONS
GLOSSAIRE
INTRODUCTION
Partie 1 : BIO METHANISATION
1. Définitions
2. Typologie
3. Processus
3.1. Hydrogenèse
3.2. Acidogenèse
3.3. Acétogenèse
3.4. Méthanogenèse
4. Produits
4.1. Biogaz
4.2. Digestat
5. Importances
5.1. Importances économiques de la biométhanisation
5.2. Importances sociales de la biométhanisation
5.3. Importances environnementales de la biométhanisation
Partie 2 : MATERIELS ET METHODES
1. Matériels
1.1. Matériels biologiques
1.2. Matériels de collecte des substrats
1.3. Matériels expérimentaux

1.4. Matériels de suivi des productions
1.5. Matériels de traitement des données
2. Méthodes
2.1. Caractérisation sensorielle du substrat
2.2. Analyse physico-chimique de la fiente de poule de race locale
2.3. Expérimentation de la bio méthanisation des fientes de poule de race locale
2.4. Suivi de la production de biogaz
2.5. Traitement statistique des données
2.6. Détermination de la qualité du biogaz
2.7. Analyses chimiques du digestat
2.8. Caractérisation sensorielle et quantification des digestats
Partie 3 : RESULTATS
1. Caractéristiques des fientes de poule de race locale
1.1. Caractéristiques sensorielles
1.2. Taux d’humidité et matière sèche
1.3. Matière grasse
1.4. pH
1.5. Carbone organique et carbone minéral
1.6. Eléments minéraux (N, P, K, Ca et Mg)
1.7. Matière organique
1.8. Pourcentage en protéine totale
1.9. Pourcentage en matière glucidique
1.10. Rapport C/N
2. Production de biogaz
2.1. Caractérisation de l’évolution du milieu réactionnel
2.2. Evolution du pH
2.3. Evolution journalière de la production en biogaz

2.4. Evolution cumulée de la production en biogaz
2.5. Production moyenne par jour
2.6. Inflammabilité
2.7. Dispersion de la production
2.8. Véracité de la production entre les essais
2.9. Test de corrélation de la production
2.10. Appréciation de la qualité du biogaz
3. Caractéristiques du digestat
3.1. Teneur en humidité et Matière sèche
3.2. pH
3.3. Carbone organique et carbone minéra
3.4. Eléments minéraux (N, P, K, Ca et Mg)
3.5. Teneur en matière organique
3.6. Pourcentage en protéine totale
3.7. Rapport C/N
3.8. Caractérisation sensorielle des digestats
3.9. Rapport Digestat/ Substrat
Partie 4 : DISCUSSIONS
1. Caractéristiques des substrats
1.1. Caractéristiques sensorielles
1.2. Taux d’humidité et matière sèche
1.3. pH
1.4. Carbone
1.5. Elément minéral
1.6. Matière organique
1.7. Pourcentage en protéine totale
1.8. Rapport C/N

2. Production de biogaz
2.1. Caractérisation de l’évolution du milieu réactionnel
2.2. Evolution du pH
2.3. Evolution journalière de la production en biogaz
2.4. Evolution cumulée de la production en biogaz
2.5. Inflammabilité
2.6. Dispersion de la production
2.7. Appréciation de la qualité du biogaz
3. Caractéristiques du digestat
3.1. pH
3.2. Teneur en Carbone
3.3. Eléments minéraux
3.4. Teneur en matière organique
3.5. Rapport C/N
3.6. Caractérisation sensorielle des digestats
3.7. Rapport Digestat / Substrat
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
Annexes

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