UNIVFAlSITE PARIS VAL DE MARNE
TIIESE DE DO~TORAT DE 3e ~Y~LE
DE PHYSI(;O~DIMIEAPPLiqUEE
A LA BIOLOGIE
...........
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i C:ON5Ell. Am/cAIN- ËT-MAlG~cHEI
1 POUH L'ENSEiGNEMENT SUPERIEUR 1
1 C. A. M. E. S. -
OUAGADOUGOU t
1 t'\\rriv~e ·:·l9·:IâN.·1998.. · .. ;
! ~r'~~_s~r~~~~~~~;:,::}l.J!~~t~6·0~· . il
CONTRIBUTION A LA CONNAISSANCE OES
TRANSfORMATIONS DE L'AZOTE ET DES EFFETS
INHIBITEURS DES IONS AMMONIUM DANS LA
FERMENTATION METHANIQUE DE JACINTHE D'EAU
par Edouard MIAMBI
présentée publiquement le 20 Décembre 1985
devant la commission d'examen composée de:
R. BUVET, Président
J.C. GOUDEAU, Rapporteur
A. BORIES
S. DESAGHER
J. RENaUX

---

REMERCIEMENTS
Ce travail a été réalisé à l'Université Paris Val de Marne au
Laboratoire du Professeur René BUVET. Je tiens à lui exprimer ma
profonde gratitude pour m'avoir accueilli dans son Laboratoire et
témoigné à mon endroit une constante sollicitude.
Je remercie vivement Monsieur Serge DESAGHER qui a SUIVI
jusqu'à son terme la réalisation de travail.
J'exprime mes remerciements à Monsieur Jean Claude Goudeau,
du Groupe de Recherche CNRS UA 872 de Poitiers, pour avoir bien voulu
juger ce travail.
A Monsieur le Professeur Jacques RENOUX, à qui je dois d'avoir
été impliqué dans le programme de Recherche et de Développement sur la
Valorisation de la Jacinthe d'eau au Congo, j'exprime ma profonde
gratitude et mes remerciements pour sa participation au jury de cette
thèse.
Je tiens à remerCier très chaleureusement et témoigner ma
reconnaissance à Monsieur André BORIES , de l'INRA de Narbonne,
pour avoir accepté de participer au jury de ma thèse.
Que la Division Technique des Energies Nouvelles de l'Electricité de
France (EDF) et Monsieur FOURCY, du Centre d'Etudes Atomiques
(C.E.A.) trouvent ici l'expression de mes vifs remerciements.
Je remercie toutes les équipes de recherches du Laboratoire de
Monsieur le Professeur R. BUVET pour leur collaboration. Je tiens à
remercier particulièrement Hélène ARAPINIS, Florence LUTIN, Didier
BUVET et les réunir ici dans un passé commun que je ne saurais oublier.
Je voudrais enfin exprimer ma gratitude à Madame Jacqueline
LOUIS. La réalisation de ce travail, qu'elle a bien voulu dactylographier,
est une marque qui saura me rappeler la sollicitude et le réconfort moral
qu'elle m'a toujours témoignés.

---

S 0 ~ MAI R E
CADRE GENERAL DE L'ETUDE
Chapitre 1 : LA FE~MENTATION METHANIQUE
- Stoechiométrie et Energétique
2 - Mécanismes de la fermentation méthanique
2.1 - l'acidogenèse
2.2 - l'acétogenèse
2.3 - la méthanogenèse
Chapitre Il : ROLE ET DEVENIR DE L'AZOTE
DANS LA FERMENTATION ~ETHANIQUE
- Aspects microbiologiques
2 - Aspects biochimiques
2.1 - Catabolisme des composés azotés
2.2 - Nutrition azotée des bactéries méthanigènes.
3 - Effet inhibiteur et toxicité de NH +
sur la fermentation méthanique
4
3.1 - Influence des cations
3.2 - Effets de l'am~oniaque
à des concentrations inférieures à 0,1 M
3.3 - Effets de l'ammoniaque
à des concentrations supérieures à 0,1 M
3.4 - Antagonisme et synergisme
de certains composés chimiques avec l'ammoniaque
Chapitre III : MATERIELS ET METHODES
1 - Matériel biologique
2 - Fermenteurs
2.1 - Fermenteurs a alimentation discontinue
2.2 - Fermenteurs a alimentation semi-continue
3 - Méthodes analytiques
3.1 - Analyse de gaz
3.2 - Demande chimique en oxygène (DCO)
3.3 - Azote Kjeldahl
3.4 - Azote ammoniacal
3.5 - Composés aminés
3.6 - Acides gras volatils

---

RE SUL TAT S EXPE F~ lrv{ NTAUX
DEVENIR DE L'AZOTE AU CO~RS DE LA FERM[~TPTION rETHANIQ~E
Dr- L.<\\ ],<\\CliHHE [:'E!\\U
1 - Etuce en alimentation discontinue
1.Î - Production ce gaz
1.2 - Transformations de l'azcte
et concentration des com~oses azotés
formés en solution
2 - EtudE en alimentation semi-ccntinue
2.1 - Etude de la fermentation ces composes carbcn8s
2.2 - Etude ces trar.sformations de l'azote
et
évolution
de
la
concentration
ces
composes azotés
formés
3 - Discussions et conclusions
- Il - ElUDE DE L'INFLUE~CE DU TEMPS DE RETENTION SUR LA DEGRADATION
DES COMPOSë~ AZOTES AU COURS DE LA PHASE STATIONNAIRE
- Etude de la fermentation des composés carbonés
2 - Etude des transformations de l'al0te
et de l'évolution des composés azotés formés
3 - Discussions et conclusions.
ChaP.it~~ : EFFETS INHIBITEURS ET TOX~ClTE DES IONS AMMONlUi"l
SUR LA FERMENTAT~ON METHANIQUE DE LA JACINTHE D'EAU
(~ichhcrnia crassipesJ
1 - Influence des ions ammonium a différentes concentrations
sur la production de gaz
2 - Etude du débit d~ pruduction de gaz
aprês ajout
d'ammonium
3 - Influenc~ des ions ammonium sur la composition de gaz
4 - Discussions et conclusions.
CONCLUSIONS GENERALES

---

RES U t": E
Ce
trav2i l a porté sur l'éi..ude'
de~, transformation:; ce l'azo-
te et des G~fet;:, inhibiteurs des ions or,;rl,(·r::UT! dans la fermt:r,ta':~0r,
méthanique ce ia jacinthe d'eau.
J'ins
l'~:l5,=mDl,=, il apparaît d'abord qu'au cours de l'acido-
genèse sont libérés dans la phase soluble des composés azotés.
Ces
composés sont tous porteurs d'une fonction basique azotée. Il s'agit
donc d'ammoniaque, d'aminacides et, éventuellement, d'amines libres.
A la fin de l'acidogenèse,
la concentration en ammoniaque représen-
te environ 70 % des composés azotés solubles.
Dès le début de la méthanogenèse, la concentration en ammonIa-
que diminue et se stabilise.
Cette diminution correspond au début
de la production exponentielle de gaz.
En
regIme
stationnaire,
la
concentration d'ammoniaque
repré-
sente environ 55 à 60 % de l'ensemble des composés azotés solubles.
Globalement,
26 % de l'azote contenu dans la phase solide d' Eich-
hornia crassipes
passent en solution.
Pour des temps de rétention de 14, 26 et 40 jours, la fermenta-
tion
aboutit
à des régimes stationnaires pratiquement identiques.
La
dégradation des composés azotés ne dépend donc pas sensiblement
du temps de rétention.
Les
ions
ammonium,
a
des
concentrations
inférieures
à 0,1 M
n'affectent
pas sens iblement
la
fermentation
méthanique.
Par
con-
tre,
à des concentrations comprises entre 0,15 et 0,20 M, apparaît
une inhibition de la production de gaz. Cette inhibition se manifes-
te avec ou sans
phase de latence à des concentrations en ammonium
comprises entre 0,20 et 0,30 M.
Pour des concentrations en ammomum supeneures
à
0,40 M,
la
production de gaz est pratiquement stoppée.
L'enrichissement du milieu en ammonium entraîne d'une part une
baisse
du
débit
de
production
de
gaz
et,
d'autre
part,
une di-
minution de
la
quantité de méthane dans le biogaz produit. Toute-
foi s,
le mi lieu se ré-enrichi t
en méthane après une période de la-
tence
plus
ou
mOIns
longue
selon
la
concentration d'ammonium en
présence.
Ceci
traduit
un
phénomène
d'adaptation
des
populations
bactériennes à des concentrations élevées en ammonium.

---

CADRE GENERAL ET OBJECTIF DE L'ETUDE
Depuis le choc pétrolier de 1973, le développement de la crIse
des
approvisionnements
énergetIques
a
amené
de
nombreux
pays
â
valoriser des
ressources locales insuffisamment exploitées en tant
que source nouvelle et renouvelable d'énergie et de matières premiè-
res.
Parmi
ces
ressources,
figurent
en
particul ier
des sous-pro-
duits
agricoles et
agroalimentaires
ou
des
productions végétales
spontanées.
Les travaux se sont surtout développés dans les pays européens,
siège
d'une
activité
agricole
intensive largement relayée par un
secteur
agroalimentaire
et
industriel
puissant.
Ils
ont
ensuite
gagné les pays en voie de développement, également frappés par un
renchérissement excessif de leurs approvisionnements extérieurs.
Parmi
ces
derniers,
les
pays
de
la
zone équatoriale humide
constituent un cas privilégié parce qu'ils disposent de quantités
considérables de biomasse végétale spontanée disponible.
La mise en exploitation de cette biomasse â ces fins nouvelles
de
production d'énergie
ou de matières premières alimentaires ou
industrielles peut constituer une voie de développement susceptible
de transformer la crise à leur avantage.
Le CONGO fai t
partie de ces pays ; ceci dt autant plus que la
2
faible densité de la population (environ 6 habitants/km ) offre de
larges disponibilités en biomasse végétale per capita.
Par ai lleurs,
l'enclavement de certaines de ses régions fait
de
celles-ci
des
pôles
potentiels
d' acti vi tés
au
sein
desquels
la
pauvreté
des
approvIsIonnements,
au
delà
de
la
conjoncture
économique actuelle constitue un fait géographique.

---

- 2 -
Parmi les ressources non utilisées du CONGO figure la jacinthe
d'eau
(Eicht7.0rnia crass'l-pes).
C'est
une plante aquatique à forte
productivIté de 100 à 150 T de matières sèches
par hectare / an
(Wolverton et Mc Donald - 1979) son état de prolifération sur
le
fleuve Congo présente une gêne permanente pour la navigation et la
pêche.
L' exploi tation de la jacinthe d'eau a été envisagée au cours
des récentes années a de nombreuses reprises soit en tant que ma-
tière
première
pour
la production du
biogaz,
soit directement ou
après transformation pour l'alimentation animale.
Ce travail fait suite a celui réalisé par N.OSSOMBO sur l'étu-
de des conditions de mIse en fermentation méthanique de la jacinthe
d'eau (N.Ossombo, 1983)
Compte tenu de l'importance du rôle de l'azote dans la fermen-
tation
méthanique
en
général,
nous
avons
retenu
comme
obj et de
notre
travail
d'étudier
ses
transformations
métaboliques
et
ses
effets
sur
la
fermentation
méthanique
de
la
jacinthe d'eau.
Ce
matériel
biologique
présente à
cet égard un intérêt particulier,
lié au fait que sa richesse en azote est intermédiaire entre celle
des résidus anImaux, riches en composés azotés de toutes natures et
les
jus résiduaires d'origine végétale,
souvent relativement pau-
vres en azote.
Nous
présenterons
ci-après
d'abord succ inctement les données
générales disponibles dans la littérature scientifique sur la fer-
mentation
méthanique
puis
celles
relatives
particulièrement
aux
comportements des produits azotés. Nous décrirons ensuite les maté-
riels et méthodes expérimentales que nous avons uti l isés avant de
donner les résultats et conclusions auxquels nous avons abouti.

---

Chapitre l
LA FERMENTATION METHANIQUE
1 - STOECHIOMETRIE ET ENERGETIQUE
La
fermentation
méthanique
d'une
biomasse
est
une digestion
anaérobie qui aboutit à une transformation plus ou moins complète
de la matière organique en méthane et gaz carbonique. Elle met en
Jeu une communauté de microorganismes agissant en symbiose et capa-
ble de récupérer, de conserver l'énergie potentielle contenue dans
la matière organique :Toerien et Hattingh - 1969)
Au plan physico-chimique, le carbone contenu dans une biomasse
aboutit en définitive à son état le plus oxydé, CO
d'une part et à
2
son état le plus réduit, CH , d'autre part. Or, les composés organi-
4
ques ca rbonés qui constituent la biomasse se trouvent à des états
d'oxydo-réduction intermédiaires entre ces deux extrêmes. La fermen-
tation méthanique est donc une réaction rédox de dismutation : une
partie des composés s'oxyde en CO
et l'autre se réduit en CH
grâ-
2
4
ce aux électrons libérés a~ cours de l'oxydation du COZ'
Le glucose, par exemple, est dégradé en anaérobiose, selon la
réaction :
Buvet
et al
(1931)
ont
établi
le
bilan stoechiométrique de
dismutation
totale
d'un
composé
organique.
Les
calculs effectués
sur
quelques
composés
biochimiques
font
apparaître
que
le
bilan
énergétique standard d'enthalpie libre de dismutation en méthane et
gaz carbonique est toujours négatif
(tableau 1). Ceci signifie en
pratique qu' il n' y a aucune l imi te imposée par l'énergétique à ce
que
la
dismutation
anaérobie
d'un
composé
biochimique quelconque
aille jusqu'à son achèvement complet.

---

Tableau l
BILANS ENERGETIQUES DES REACTIONS DE DISMUTATION EN METHANE ET CO
DE QUELQUES SUBSTRATS BIOCHIMIQUES TYPES
2
)-1
Kcal.(mole ou at.g.C
OIS MUT A T ION
lIGo
lIGo/c
lIHo
lIHo/c
2 Ethanol -
3 CH /
4
+
Co/
- 47,14
- 11,78
- 15,00
- 3,75
4 (-CH -) + 2 H 0 ----3 CH / +
2
2
4
Co/
- 9,10
- 2,27
+ 8,64
+ 2,16
Acide acétique -
CH /
4
+
Co/
- 12,60
-
6,30
+ 4,46
+ 2,23
aUglucose ---- 3 CH / +
4
3 CO/
- 99,98 aq
- 16,67
- 30,28
- 5,05
4 Lsérine
+
2 H
- 146,22
-12,18
20 - - 5 CHi +
7 COi +
4 NH 3
+ 5,96
+ 0,50
4 Glycine
+ 2 H20 -
3 CHi + 5 CO/ + 4 NH
- 65,38
- 8,17
3
+ 40, 76
+ 5,10
4 Adénine + 30 H 0 ---- 5 CHi
2
+ 15 COi
+ 20 NH
- 182,20
- 9,11
3
Dans l'ensemble des dérivés du carbone, seul le carbone lui-même présente un bilan positif
d'enthalpie libre standard de dismutation en méthane et CO
en présence d'eau
2
lIGo
1
= + 3,4 Kcal.at.g
lIHo
-1
= + 12,35 Kcal.at.g.

---

-
j
-
Puisque
la
fermentation
méthanique
est une digestion qUl
se
déroule en l'absence d'air et, dans la mesure où elle ne fait inter-
venir aucun autre oxydant ou réducteur étranger aux composés qui la
consti tuent,
la quanti té d' oxygène nécessai re pour oxyder le carbo-
ne qu'elle contient reste conservative au cours de ce processus.
La Demande Chimique en Oxygène (DCa) d'une biomasse déterminée
par des méthodes analytiques normalisées est donc elle aUSSl conser-
vative
au
cours
de
la
fermentation méthanique dans
la mesure où
elle
chiffre
bien
la
quantité
d'oxygène
nécessaire
pour
oxyder
totalement le carbone d'une biomasse et lui seul. Il en découle que
la DCa initiale d'une biomasse peut produire au maximum une masse
de méthane correspondant à cette DCa.
La transformation du méthane en gaz carbonique est donnée par
la réaction suivante :
Une mole de méthane représente 64 g de DCa. De ce fait, 1 g de DCa
pourrait produire au maximum par dismutation totale 0,25 g de CH .
4
La
mesure
de
la
DCa
d'une biomasse permet donc d'évaluer a
priori
la
quantité
de méthane maximale qu'elle pourrait produire
par fermentation méthanique. Cette quantité est donnée par la rela-
tion :
l'''CH
= 0,25 DCa
(gf
Plus
généralement,
Sl une fermentation méthanique d'une bio-
masse
de
DCa
initiale
(DCa.)
donne
un
effluent
de
DCa
finale
1
(DCO ),
la masse de méthane produite (M
) doit stoechiométrique-
f
CH
-
-
l
-
4
ment etre ega e a
=0,25 (DCO.1
quelles
que
soient
les
populations
des
microorganismes présents
dans le mi lieu.

---

-
b
-
Dans
le
cas
d'une
dismutation
partielle
aboutissant
a
des
effluents
contenant outre de la biomasse non transformée,
d' autres
composes
résultant
de
transformations
redox,
cette
relation
peut
aVOI r
a être
corrigée.
Ceci est par exemp le le cas dans un mi lieu
contenant
des
composés
qUI
peuvent agir
comme donneurs
ou accep-
3
2
teurs d'électrons à la place du carbone tels que Fe +, 5°3 -
.
2
réductibles en Fe +, 5H .....
2

---

- 7 -
Figure 1 - MECANISMES DE LA FERMENTATION METHANIQUE
(d'après ZINDER - 1984)
COMPLEX POLYMERS
(proteins. polysaccharides. etc.)
1
""lP
MONO AND OLiGOMERS
(sugars. amino acids, peptides)
1
1
1
""l po-
PROPIONATE,
BUTYRATE, ETC.
( long-chain fatty acids)
.....
t2
12 .....
3
H2 + C02 ,
~ ACETATE
1
})t
5
1 CH4, C021
1 - bactéries hydrolytiques et acidogènes (fermentatives)
2 - bactéries acétogènes
3 - bactéries homoacétogènes
4 - bactéries hydrogénophiles
5 - bactéries acétoclastes

---

-
2; -
2 - MECANISMES DE LA FERMENTATION METHANIQUE
La
fermentation
méthanique
met
en
Jeu
essentiellement trois
groupes
de
bactéries synthrophiques
les
bactéries
hydrolytiques
et acidogènes, acétogènes et méthanigènes (Bryant et al - 1979).
Les
di fférentes
voies de dégradation
de
la matière organique par
ces bactéries sont données dans la figure 1.
Les
bactéries hydrolytiques et acidogènes dégradent les poly-
mères
(cellulose,
hémi-cellulose,
protéines,
lipides ... ) et réali-
sent la fermentation des produits résultant de cette hydrolyse
en
acides carboxyliques, alcools, ammoniaque, anhydride carbonique, et
sulfures.
Les
bactéries
acétogènes
assurent
la
transformation
par
une
nouvelle dismutation des produi ts
formés
à l'issue de
la
premiè-
re
étape,
particulièrement
les
acides
gras
volatils
a
longues
chaînes
tels
que
le
propionate
et
le
butyrate...
en
acétate
et
anhydride carbonique.
Les bactéries méthanigènes transforment l'anhydride carbonique
avec l'aide du pouvoir réducteur disponible, ainsi que l'acétate en
méthane.
Un
quatrième
groupe
de
bactéries
assure
la
néoformation
de
l'acétate à partir de l'anhydride carbonique et de l'oxygène.
2.1 - L'acidogenèse
Elle est réalisée sous l'action des bactéries hydrolytiques et
acidogènes. Ces bactéries forment un groupe très hétérogène
consti-
tué
des
espèces
généralement
anaérobies
strictes.
Elles
peuvent
~tre thermophiles ou mésophiles. Ce sont des bactéries à croissance
relativement rapide.
Parmi
les
bactéries anaérobies
mésophi les,
les genres bacté-
roides,
Clostridium,
Butyrivibrio,
Eubacterium,
Bifidobacte-
rlum,
lactobacillus
ont
été
recensés
(Klass
1984).
Zinder
(1984) cite en
plus Peptostreptococcus,
Peptococcus
et
deux
microorganismes non
identi fiés.
Il
note que
la nature du substrat
semble
déterminer
le
type
de bactéries fermentatives en presence
dans le milieu.

---

- 9 -
Figure 2 - INFLUENCE DE LA PRESSION PARTIELLE D'HYDROGENE
DANS LA DIGESTION ANAEROBIE
(d'après BRYANT - 1969)
Po 1Y5 aCC11 or 1Cl e
!
_ l
5uCjur
~::ri....4l'----+------..~ 2ri
'1
Pyr u'JO le
LOClQle
,
Î
p/Ix~ '"O,l.Oloucelule
rH?1 [C02] Acelyi CoA
~'f
Acrylyl CoA
-
1
Acel yi Co A
!
~
/2ri
Succlnote
r
i
\\rl
1
/
4ri
'f
1Proplonote 1
[Elhonoll
(Bulyrate]
High pH2
D = Flnol Producr - - - - - -
E"lrOcellulor Inlermedlole

---

l '~'
-
u-
Les
memes
espèces
sont
également présentes dans
les milieux
fécaux et gastro-intestinaux.
Ces bactéries présentent des
simi 1i tudes quant a leur nutri-
tion,
leur physiologie et leur métabolisme. La plupart des hypothè-
ses emlses pour expliquer les mécanismes mis en jeu par ces bacté-
ries dans des digesteurs anaérobies se basent sur les connaissances
de l'écologie du rumen.
Au
cours
de
l'acidogenèse,
les
polysaccharides
tels
que
la
cellulose,
1 'hémi-cellulose sont hydrolysées en des composés sim-
ples, les sucres monomères.
Les
sucres
sont
dégradés d'abord
en pyruvate par la VOle
d'Embden-Meyerhoff
(Mah -
1977)
laquelle génère des électrons qui
asurent la réduction du NAD+.
L'oxydation du NAOH est ensuite assurée
la réaction :
+
+
NADH + H ---- H + NAD
2
Cette -éaction est endergonique dans les
pH 7
(tlGO I
= + 4,3 Kcal). Son équilibre est
cé à ce pH dans
le sens de la formation de NADH. Pour que cette
réaction se produise dans
le sens de la formation d' hydrogène,
il
faut que la pression partielle de celui-ci soit suffisamment basse,
3
c'est à dire à des valeurs inférieures à 10-
atmosphères.
Il faut
donc, pour celà, que l'hydrogène soit éliminé au fur et à mesure de
sa formation (L.jolin - 1976).
Il en résulte que les composés formés à partir du pyruvate et
leurs
proportions
dépendent
de
la
pression
partielle d' hydrogène
dans
le milieu
(figure 2).
Quand la pression d'hydrogène est fai-
ble, il se forme essentiellement de l'acétate, du dioxyde de carbo-
ne et de l'hydrogène. Si la pression d'hydrogène augmente, par exem-
ple après une surcharge du système, le pyruvate est dégradé en pro-
pionate, butyrate et valérate.

---

- Il -
Certaines
bactéries
impl iquées
dans
la
phase
hydrol itique
et
acidogène ne peuvent pas utiliser les sucres résultant de la dégra-
dation
des
polysaccharides.
C'est le cas des bactéries sulfato-ré-
ductrices
en absence de
sul fate.
Elles
uti lisent
comme principaux
substrats le lactate ou le pyruvate. Elles utiliseraient comme sour-
ce d'énergie des alcools et même des composés aromatiques (Pfenning
et Widder
-
1981).
Les
genres
les
plus
connus
sont DesulfovibY'io
et Desulfomonas.
Dans
les
biotopes
pauvres
en
sul fates,
ces
bactéries
vivent
en
synthropie avec la flore méthanogène.
Celle-ci élimine l'hydro-
gène formé (Segura - 1984)
2.2 - L'acétogenèse
Les
bactéries
acétogènes
transforment
les
acides
légers
en
acétate et éventuellement carbonate.
Elles
sont,
a
priori,
inutiles
dans
un
fermenteur
équilibré
ou
l' hydrogène
formé
au
cours
de
la
phase acidogène
est consommé
au cours de la méthanogenèse.
Ces bactéries sont par contre indis-
pensables
si
du
butyrate
ou du
propionate se sont accumulés à la
suite d'une augmentation de la pression d'hydrogène.
Quatre espèces de bactéries acétogènes ont été jusqu'à ce jour
isolées en coculture avec une bactérie utilisatrice d'hydrogène.
- l'organisme "5" (Bryant et al - 1967)
-SyntY'ophomonas Wolfei
(Mc lnerney et al -19(1)
- SyntY'ophobacteY' wo linii
(Baone et Bryant - 1980)
- SyntY'ophus
buswelli
(Mounfort et Bryant - 1982)
L'organisme "5" réalise l'acétogenèse à partir de l'éthanol.
SyntY'ophobacteY' wolinii
oxyde
le propionate en acétate,
H2
et COZ'

---

Tableau 2 - REPRESENTATIONS DES REACTIONS INTERVENANT DANS UN REACTEUR EN ANAEROBIOSE
ET LEURS ENERGIES LIBRES DANS DES CONDITIONS STANDARDS ET "TYPIQUES"
(ZlNDER - 1984)
Free energy
I{eaclion no. and description
Heartants
Products
(kJ/reaction)
_ _ _ ' 0 . _ . .
"
_
1Ct)·
!lC'
--_ ..
.-_."---
_
_--~
~-----
....
-----.------- ._-- ------- ---------- ... _ - - - - - - - - - .._-- --
----
1. Conversion of glucose to CH
and CO'l
Glucose + 3H
3CH
+ 3HCO
-403.6
-399.1
4
2 0
4
a
+ 3H"
2, Conversion of glucose to acetatc and H'l
Glucose + 4H
2CH;\\COO- + 2HC0
2 0
3 -
+ 4H" + 4H 2
-20G.3
-318.5
3, Methanogenesis from acetate
CH;\\COO- + H'lO
CH
+ HC0
4
3 -
+ H"
-31.0
-24.5
,,,,~
---i
4, Methanogenesis from H:.! and CO:.!
4H'l+HCOa-+H<
CH
+ 3H:.!0
-135.6
-31.6
4
5, Acetogenesis from H and CO
4H
+ 2HC0
CH COO- + 2H 0
2
-7.0
2
2
3 -
+ H<
3
2
-104.6
G, Amino acid oxidation
Leucine -+- 3H 0
isovalerate - + HCO:
+ + 2H;.!
2
I -
+ H" -+- NH 4
+4.2
-59.5
7, Butyrate oxidation to acetate
Butyrate -t 2H 0
2CH: COO - + H + + 2H
2
I
2
+48.1
-17.4
8, Propionate oxidation to acetate
Propionate + 3H'l0
CHaCOO- + HC03 - + H+ + 3H2
+76.1
-5.4
9, Benzoate oxidation to acetate
Benzoate -t 7H'l0
3CH aCOO- + HC03 - + 3H+ + 3H2
+89.7
-15.7
10, Reductive dechlorination
H;.! + CH C\\
CH
+ H+ + Cl-
3
-163.4
4
-121.3

---

- 13 -
Fi~ure 3 - DEPENDANCE THERMODYNAMIQUE DES PRINCIPALES REACTIONS
DANS LA DIGESTION ANAEROBIE EN FONCTION DE LA PRESSION PARTIELLE
D'HYDROGENE
(d'après D.B.ARCHER - 1983)
2
3
A
E
.3
'"
:r
~
<:2
00
0
4
.-.J
5
6'=""="........---~~-"'----~----l... __-À-_-L
- - J
-100
-50
0
.50
k.J per reaclioo
Acétogenèse à partir du propionate (E), butyrate (0), pyruvate (A),
HZ + COZ (C) et méthanogenèse à partir de HZ + COZ (8)
Les calculs sont basés sur des valeurs standards d'énergie libre
à pH 7 et à Z5°C avec 34 mM de HC0 -, 1 mM d'acides gras et P
de
3
CH4
0,7 atmosphère

---

- 14 -
3yntrophomonas wolfei
assure la )loxydation
des
acides
gras
de quatre à sept atomes de carbone. Syntrophus
buswelli dégrade le
benzoate.
Selon "Zlnder
(1984)
la
crOlssance
des
bactéries
est
lente.
Leur temps de dédoublement est de 84, 161 ou 166 heures respective-
ment pourS.wolfei, S.wolinii et S. buswelli
Les réactions impliquées dans l'acétogenèse sont endergoniques
dans les conditions standards (tableau 2). Elles ne sont favorables
qu'à de faibles pressions partielles d'hydrogène.
L'influence de
la pression partielle d'hydrogène sur l'acéto-
genèse
est
illustrée
par
la
figure
3.
L'acétogénèse à partir du
butyrate et du propionate serait possible à des pressions partiel-
les d'hydrogène comprises entre 0,25 et 8,10""5 atm. (Archer - 1983)
Pratiquement,
les
bactéries acétogènes ne peuvent croître qu'
en association syntrophique avec les bactéries utilisatrices d'hy-
drogène que sont les méthanogènes.
On
distingue
aUSSl
des
bactéries
homoacétogènes
bien
que
celles-ci soient rarement rencontrées dans les biotopes anaérobies.
Elles
assurent
une
néoformation
de
l'acétate
a
partir
du
gaz
carbonique et de l'hydrogène. Ces bactéries seraient en compétition
avec les méthanogènes pour l' hydrogène.
Une
bactérie homoacétogène
a été isolée: il s'agit de acetobacterium sp.
2.3 - La méthanogenèse
Les bactéries méthanigènes appartiennent a un groupe particu-
lier dit archéabactéries (Balch et al - 1979). Ces bactéries existe-
raient depuis plus longtemps qu'aucune autre espèce vivant aujourd'
hui. EIles seraient une des premières espèces qui se sont séparées
d'un tronc commun de
l'évolution,
bien avant que ne s'en séparent
les procaryotes puis les eucaryotes (Nyns - 1980)

---

- 15 -
Tableau 3 - QUELQUES BACTERIES METHANIGENES
E S P E CES
SUBSTRATS POUR LA CROISSANCE
Methanobacter~um formicicu~
HZ' Formate
,'1ethanobacter~um bryanti~
Methanobacterium thermoautotrcuhicurn
Methanobrevibacter ruminantium
HZ' formate
Methanococcus vanniellii
HZ' formate
Methanospirillum hungateii
HZ' formate
Methanosarcina barkeri
Methanosarcina mazer
Acétate, méthanol
Methanothrix soehgenii
Acétate

---

- 16 -
Les bactéries méthanigènes
(tableau 3)
présentent des caracté-
ristiques
structurelles
particul ières
qui
les
distinguent des
au-
tres bactéries.
On
rencontre des
bactéries méthanigènes
acétophi les
appelées
encore acétoclastes et des bactéries méthanogènes hydrogénophiles.
Z.3.1 - formation du méthane a partir de COZ~HZ
La
transformation du carbonate et de l'hydrogène est réalisée
par
les
bactéries
hydrogénophiles.
Leur
temps
de
dédoublement est
beaucoup
plus
court
que
celui
des
autres
bactéries
méthanigènes.
Zinder
(1984) affirme qu'il est de trois heures pour les hydrogéno-
philes mésophiles.
Selon cet auteur,
les bactéries hydrogénophiles ont une faible
affinité pour l'hydrogène
(Z à 1Z micromolaires) ce qui leur permet
de
maintenir
des
preSSIons
partielles en
hydrogène
inférieures
à
-Z
-
10
atmospheres.
En
thermophilie,
les
hydrogénophiles
se
développent
mleux a
des températures comprises entre 60 et 65°C.
Les bactéries méthanigènes
sont pour la plupart hydrogénophi-
les.
Elles
transforment donc
COZ + HZ en CH
selon la réaction 4
4
(tableau
Z).
Dans les conditions standard,
l'enthalpie libre appa-
re~te (llGo ') de cette réaction est égale à
- 135 kj.
Mais,
dans
les
digesteurs anaérobies,
la
pression
partielle
en
hydrogène est
au
maximum à une
atmosphère
(Zinder
- 1984),
L'énergie disponible
pour
la croissance des bactéries hydrogénophiles est donc en géné-
ral très inférieure à cette valeur.
La
transformation
de COZ
+ HZ
en
CH
par
ces bactéries fait
4
intervenir
un
intermédiaire méthylé
X-CH
où X a été identi fié au
3
coenzyme M (Gunsalus
et Wolfe - 1977).
Selon
les auteurs,
la réduction du méthylcoenzyme M serait couplée
avec la condensation du dioxyde de carbone sur HX (figure 4). Cette
réduction
fournirait
de
l'énergie qui
permet de fixer COZ suivant
un cycle réactionnel de transfert d'énergie.

---

- 17 -
Figure 4 - PRODUCTION DE METHANE A PARTIR DU COZ
en
HS
1
CaM
.,
En
XCOOH
(unknown)
Figure 5 - PRODUCTION DE METHANE A PARTIR DE L'ACETATE
+ CoA + ATP
,,'\\ Acetate thiok,nase
,0
H3C-C
+ AM? + pp
'S-CoA
l
~--X
co ~ ~OJ
) \\
r.: ~ ,

---

- 1<3 -
Les bactéries acétoclastes assurent la transformation de l'acé-
tate
en
méthane.
Parmi
les
bactéries
méthanogènes
recensées
à ce
Jour,
deux seulement sont acétoclastes
:
M.,saY'cina et MethanothY'ix
(v!ethmwsaY'cino.
est aussi capable de croître sur HZ + COZ' me-
thanol et méthylamine.
Le temps de dédoublement de cette espèce est
de Z4 heures, alors qu'il faut de 4 à 9 jours pour
MethanothY'ix.
La
constante
d' affini té pour l'acétate de MethanothY'ix est de
millimolaire et 3 à 5 millimolaires pour!~ethanosaY'cina.
Le
développement
rapide
de
MethanosaY'c'L-na
est
favorisé
dans
des systèmes à haute charge et à temps de rétention court dans les-
quels
la
concentration
en acétate
est
élevée
(Verrier - 1984). Ce
qui n'est pas le cas pour :"!ethanothY'ix
70 % du
méthane
produi t
par
digestion
anaérobie des composés
glucidiques
provient de
la
dégradation
de
l'acétate
(Mah - 1977).
La
forte production de méthane par dégradation de l'acétate résul-
terait de
la
conversion
au
préalable
d'une
partie
de
HZ + COZ
en acétate (Van den Berg - 1982)
Les
bactéries acétoclastes
assurent
la
dégradation de
l'acé-
tate
par
décarboxylation
oxydative.
Kohler
et
Zehnder
(1984)
ont
montré
que
l'acétate serait d'abord activé par l'acétate thiokina-
se.
Par
ailleurs,
un
monooxyde
de
carbone
deshydrogénase
serait
imp l iqué dans
les réactions de carboxylation et de décarboxylation
de l'acétate (Krzycki et Zeikus - 1984) (Kohler etZinder
- 1984)
Un schéma de formation du méthane a partir de l'acétate a été
proposé (figure 5).
L'état
actuel
des
connaIssances
relatives
à
la
méthanogenèse
ne permet pas encore d'élucider tous les mécanismes mis en jeu dans
ce
phénomène.
Cependant,
des
progrès
notables
ont
été
effectués
durant les dix dernières années.

---

CHAPITRE DEUX
ROLE ET OEVENIR OE L'AZOTE JANS LA FE~~ENT~TIJ~ METHANIQUE
1 - ASPECTS MICROBIOLOGIQUES
Dans la fermentati'bn méthanique,
les composés azotés de nature
protéique
sont dégradés
par des
bactéries dites
protéolytiques et
déaminatives.
Ces bactéries interviennent lors de la première étape
de la digestion anaérobie de la matière organique.
Ce groupe de bactéries, appelées fermentatives, est composé en
majorité
d'espèces anaérobies
strictes mais
on dénombre
également
des bactéries facul tati ves ( AlI ison - 1973)
Les
bactéries
protéolytiques
rencontrées dans
les digesteurs
anaérobies sont, pour la plupart, des Gram+ (Hobson et al - 1974).
Les
Clostridium
sont
particulièrement
dominants
Bryant - 1977
Hobson
et 31. - 1'i74
Toerien - 1960).
Dans le rumen,
en
revanche, ces bactéries sont de Gram
Harkness
(1966)
a estimé
la
quantité des
bactéries protéoly-
4
tiques
présentes dans des digesteurs anaérobies à 7 10 /ml.
Cepen-
dant,
il
conclut que
ce
nombre ne tient pas nécessairement compte
de
toutes
les
bactéries
qui
interviennent dans la dégradation des
composés protéiques présents dans les digesteurs.
Kotzé et al.
(1968) notent que la quantité d'enzymes protéoly-
tiques varie avec la nature du substrat. Plus le substrat est riche
en
protéines,
plus
la
quanti té
d'enzymes protéol ytiques
dans
le
milieu est importante.

---

- 20 -
Agardy et al (cités par Hobson et al - 1980) ont constaté qu'à
une monté de charge à des niveaux induisant une perturbation de la
digestion
correspond
une
augmentation de
l'activité protéolytique
jusqu'à
l'arrêt
de
la
fermentation.
Celui-ci
s'accompagne
alors
d'une baisse notable de cette activité. Ils ont conclu que la varia-
tion de l' acti vi té enzymatique reflète les al térations successi ves
des di rférents types de bactéries contenues dans le système. Elle
peut
aussi
être une conséquence de l' inhibi tion de la croissance
des bactéries par la quantité de substrat.
Les enzymes protéolytiques digèrent d'autres enzymes exocellu-
laires
telles
que
les
cellulases
(Scharer
et
Moo
1979).
Ceci
entraîne
une
diminution
de
la
cellulolyse
dans
des
biomasses
partiellement protéiques en raison de la compétition avec la protéo-
lyse.
Les
composés
azotés
de
nature
non
protéique peuvent aussi
être dégradés par digestion anaérobie.
Des bactéries capables de dégrader dans des conditions anaero-
bies les purines et les pyrimidines ont été recensées (Hobson et al
1-974)
ci tent
entre
autres /v/icrococcus
lactilyticus,
Closbri-
dlum acidi urici et Clostridium uracilicum.
2 - ASPECTS BIOCHIMIQUES
2.1 - Catabolisme des composes azotés
azotés dans des
anaéro-
bies
les
une
avec
d'ammoniaque,
de
gaz
(Hobson et al - 1974).
peuvent ensuite
se
Hobson
et al
(1974)
ont
établi
des
éléments de comparaison
entre la digestion anaérobie dans
le rumen et dans des digesteurs
anaérobies (figures 6 et 7).

---

- 21 -
Figure 6 : SCHEMA GENERAL DE LA DEGRATION DES COMPOSES
DANS LES DIGESTEURS ANAEROBIES (d'après Hobson et al. - 1974)
Composés non protéiques
Protéines
Ammoniaque
...
Amino
acides
Cellules
Acides gras
bactériennes
volatils
Résidus indigestibles
Figure 7 : SCHEMA GENERAL DE LA DEGRADATION DES COMPOSES AZOTES
DANS LE RUMEN (d'après Hobson et al. - 1974)
Composés non protéiques
Protéines
Ammoniaque
...
Amino
Bactéries
acides
Acides gras
. Ingestion
rami fiés
par
les
protozoaires

---

- 22 -
Les
composes azotés non protéiques seraient dans les deux cas
dégradés
di rectement en ammoniaque
tandis
que
ceux de nature pro-
téique
le
sont d'abord
en amino-acides.
Dans le rumen,
une partie
des amino-acides dégradés forme des acides gras ramifiés. En revan-
che,
ils seraient dégradés en acides gras volati Is
HZ et COZ
dans
des digesteurs anaérobies.
Il est établi que l'ammoniaque formé peut, dans certaines con-
ditions,
par exemple dans
le cas d'une
digestion
à haute charge,
affecter la stabilité du système.
Mais,
il n'existe pas de données
dans la littérature sur l'évolution de l'ammoniaque au cours de la
digestion anaérobie.
De
meme,
on
ne sait pas comment évoluent les
autres composés azotés libérés dans le milieu.
Il existe également très peu d'informations sur la dégradation
des
aminoacides
en
ammoniaque.
Dans
la
littérature,
on
note
les
travaux
de
Weng
et
leris
1976
qui
ont,
par des
techniques de
marquages
radioacti fs,
mis en évidence les mecanlsmes biochimiques
de dégradation de l'acide glutamique en méthane.
Ils montrent que la dégradation de l'acide glutamique en métha-
ne
et
gaz
carbonique
impliquerait
la
formation
intermédiaire
de
l'acide mésaconique à partir duquel il y aurait formation de l'acide
pyruvique et de l'acide acétique.
L'acide acétique serai t
dégradé en méthane et gaz carbonique,
l'acide
pyruvique
en ac ide
lactique qui est rédui t
(sans doute en
plusieurs étapes
impliquant
un apport
d'énergie)
en acide propio-
nique. Celui-ci est dégradé en acides acétique et formique qui sont
respecti vement
transformés en CH
+ COZ et en COZ + 2 H,
se Ion la
4
réaction 3.
(figure 8).
Le bilan de ce mécanisme est donné par la réaction 4.
Par ailleurs,
la dégradation des aminoacides par fermentation
anaérobie peut
s'effectuer par des réactions d'oxydoréduction cou-
plées
entre
deux
aminoacides,
l'un
jouant
le
rôle d'accepteur et
l'autre celui
de donneur.
Ce
phénomène a été mis en évidence par
Stickland sur les Clostridies.

---

- 23 -
Figure 8
Schéma de la dégradation de l'acide glutamique
selon weng et Jeris (1976)
H3
r
HOOC-CHZCHZCH(NHZ)COOH - - - ~-----COOH + NH 3
CHCOOH
acide mésaconique
ac.mésaconique
~ZH
CH CHOHCOOH
3
ac.lactique
1
/ ' " ZH
~ CH CH COOH + HZO
3
Z
CH CH COOH + Z HZO
-.-CH COOH + HCOOH + 4 H
3
Z
3
CH COOH ----- CH
3
4 + COZ
HCOOH ~2 H + COZ
Z H + ~ CO
~ ~ CH + ~ H 0
4
Z
4
4
Z
Z
Net
HOOC-CHZCHZCH (NH) ZCOOH + 1 H 0
.ll co + ~ CH + NH3
Z
Z
4
2
4
4

---

- 24 -
l'ensemble
des
mecanlsmes
impl iqués
dans
la
dégradation
des
aminoacides
n'est
pas
totalement
élucidé.
les
investigations
ln
vitro,
très difficiles à réaliser,
nécessitent la mise en place de
milieux de cultures complexes.
2.2 - Nutrition azotée des bactéries méthanigènes
Dès 1966, Baker a étudié en culture pure la nutrition azotée
de quelques espèces méthanogènes. jV/ethanobacter
formicicum,
,"vle-
thanococcus
vanniellii.
Methanosarcina
barkeri,
Methanobacil-
lus omeliansk.li.
Il
conclut
que
ces
bactéries
utilisent
l'am-
moniaque pour leur croissance et ne requièrent pas les vitamines B
et autres facteurs de croissance.
Bryant
et
al
(1971)
ont
confirmé
les
résultats
de
Baker en
travaillant sur trois bactéries méthanigènes
M.ruminatum iso-
lée des boues de digestion et du rumen,
Methanobacterium isolée
de iil.omelianskii.
Par ailleurs, ces auteurs ont observé une crOIssance rapide de
1\\}. rurninatum
en
présence d'ammoniaque
seul mais
pas des aminoaci-
des
ou
des
peptides.
Ces
mêmes
observations
ont
été
faites
sur
M.ruminatum isolée des
boues
de
fermentation
et
sur
Methano-
bacterium.
Bryant et al.
(1971;
ont conclu qu'une petite partie seulement
des
aminoacides
et
peptides
est
assimilée
directement
par
les
bactéries
méthanigènes.
En
général,
c'est
l'ammoniaque
qui
l'est
principalement.
Cette observation avait déjà été faite en étudiant
l'écologie du rumen des ruminants (Bryant -
1971
1974)
Kenealy et al
(1982) ont étudié les mecamsmes d'assimilation
de
l'ammoniaque
par les bactéries méthanigènes.
Par des techniques
de
marquage
radio-acti f,
ils
ont
mis
en
évidence
sur M. thermo-
autotrophicum l'intervention de glutamine synthetase (GS) de gluta-
mate synthetase
(GOGAT)
et de
l'alanine transaminase et d'alanine
deshydrogenase. Ces enzymes assurent les mécanismes suivants d'assi-
milation de l'ammoniaque:

---

- 25 -
glutamine
NH
+ acide glutamique + ATP
~========~. glutamine + ADP + P.
3
l
synthetase
glutamate
..
glutamine + acétoglutarate + NAOPH + H ~================~\\\\
synthetase
\\\\
2 glutamate + NAOP+
alan:.ne
acide glutamique + acide pyruvique~acide acétoglutamique +
transaminase
alanine
L'alanine
dehydrogénase
interviendrait
comme
deuxième
VOle
d' assimi lation
de
l'ammoniaque
par
réduction
aminante
directe du
pyruvate.
Son
activité
ne
serait
significative
que
lorsque
la
concentration en NH+
dans le milieu est très élevée. En conséquen-
4
ce, la quantité de ADH serait régulée par la concentration en NH +
4
Les
voies
d'assimilation
de
l'ammoniaque
par
les
bactéries
méthanigènes sont donc les mêmes que celles observées pour d'autres
bactéries.
2.3 - Importance du rapport carbone/azote (C/N)
La
composl tlon
chimique
du
substrat
influe sur
la digestion
anaérobie
de
la matière organique.
Cette influence se traduit au
niveau
de
la
dégradation du substrat et donc du
rendement de la
production de gaz.
De
ce
fait,
on
effectue généralement des analyses chimiques
deI a
bi 0 ma s s e a van t
deI a fa ire fer men ter,
a fin de dé fin i r ces
caractéristiques.
Les proportions relatives de l'azote et du carbone déterminent
la dégradabilité des substrats au cours de la digestion anaérobie.
Ceci, étant donné que NH + est la principale source azotée du méta-
4
bolisme
des
bactéries
(Bryant et al.
-
1971,
1974)
et que
le carbone constitue leur source d'énergie (Mah - 1977)

---

- 26 -
Ainsi,
le rapport C/N d'un substrat peut être corrigé par l'apport
d'un autre substrat plus ou moins riche en azote ou en carbone se-
lon que
l'on
veut augmenter ou baisser ce rapport. On peut égale-
ment,
pour
ce faire,
ajouter
des composés chimiques,
carbonés ou
azotés.
Des
études
ont été effectuées afin
de déterminer
le
rapport
(IN optimal en vue particulièrement de traiter les effluents indus-
triels carencés ou trop riches en l'un de ces composés.
Cependant, les valeurs indiquées dans les sources bibliographi-
ques sont généralement contradictoires.
Sanders
et
Bloodgood
(1965)
affirment
qu'un
rapport
égal
a
16,5
est
le
seui l
maXImum
pour avoi r
une
bonne
décomposition de
la matière organique au cours de la digestion anaérobie.
En revan-
che,
un
rapport C/N = 21 entraînerait une perturbation de la sta-
bilité du digesteur.
Ces
résultats sont confirmés
par
Sievers et Brune
(1978) qUI
notent que les rapports C/N supérieurs à 19 provoquent une instabi-
lité du milieu en fermentation,
les valeurs maximales étant compri-
ses entre 15 et 19.
Par contre,
selon B.Lagrange
(1979)
le
rapport C/N doit être
compris entre 25 et 35.
Une baisse de production de méthane de 67 à 52 % a été respec-
tivement
observée
pour
des
valeurs du
rapport C/N
égales à 8 et
à 52 (Hills - 1979). Ceci corrobore les affirmations de B.Lagrange
( 1979 ) .
Nous
relevons que les apports de carbone et d'azote effectués
par ces di fférents
auteurs ne sont pas de même nature.
Ceci pour-
rait
être
à
l'origine
des
résultats
contradictoires auxquels
ils
ont abouti.
En outre,
Speece
et Mac Cart y
(1964)
notent que
la quanti té
d'azote
dépendrait
du substrat uti l isé
et du temps
de
rétention.
Selon
ces
auteurs,
les
composes
glucidiques
requièrent
beaucoup
plus d'azote que les lipides.
En
dépit
des
données
parfois contradictoires,
il
est établi
que le rapport C/N d'une biomasse est un critère important permet-
tant d' amé l iorer
la dégradation de
la
matière organique en effec-
tuant des mélanges de différentes biomasses disponibles.

---

r17
-
L
-
+
3
- EFFET INHIBITEUR ET TOXICITE DE NH 4
SUR LA FERMENTATION METHANIQUE
Les ions ammonium libérés au cours de la fermentation méthani-
que
affectent,
au dessus d'un certa in seui l de concentration,
la
stabilité de ce phénomène.
L'influence des
ions ammOnlum a été généralement étudiée dans
le cadre de l'inhibition de la digestion anaérobie par les cations.
Nous allons,
dans ce chapitre,
rappeler plus généralement les
effets des cations avant de traiter ceux de l'ammoniaque.
3 .1 - Influence des cations
Deux groupes de cations métalliques ou analogues sont impli-
ques dans le phénomène d'inhibition de la digestion anaérobie.
Ce sont d'une part les métaux
lourds tels que
le cuivre, le
nickel,
le zinc
et,
d'autre part,
les cations métalliques al-
calins ou alcalinoterreux tels que NH + couramment rencontrés dans
4
des
digesteurs
anaérobies.
Nous
a lIons donc nous
intéresser dans
cette
étude
bibliographique à ces derniers d'autant plus que
les
informations disponibles dans la
littérature scientifique traitent
essentiellement de leurs effets.
++
++
+
+
+
Les effets des Clnq cations : Ca
,Mg
, K. ,Na
et NH
ont
4
été
étudiés ln vitro sur la digestion anaérobie de
l'acétate
(Kugelman et al~ 1965i
Ils ont ooservé un effet inhibiteur de plus
en plus accenté de ces cations selon l'ordre suivant
(figure 9)
C ++
M ++
K+
NH +
N +
a
,
g ,
,
4
et
a .
Par contre, Braun et al (1981), après aVOIr étudié les effets
de
ces
différents cations sur la
fermentation méthanique des li-
siers de porc, donnent l'échelle d'inhibition croissante suivante:
++
++
+
+
+
Ca
,Mg
,K, Na
et NH4
Une divergence apparaît donc entre ces deux auteurs sur l'inhi-
bition comparée de Na+ et NH +. Les uns affirment que Na+ est plus
4
toxique que NH + tandis que les autres notent le contraire.
4

---

- 28 -
Figure 9 - EFFETS DE LA CONCENTRATION DE QUELQUES CATIONS
SUR LA DEGRADATION ANAEROBIE DE L'ACETATE
(d'après KUGELMAN et al. - 1971)
100
Na
•
NH4
•
..J
0
Ir
K
46.
~
.o~
Z
Mg
•
41~
0
u
L
,
Na Ca
•
330
~
i
~
z
60r
..,
U
Ir
..,
' -
~
..,
~
CI
ct
Z
.o~
0
~
u
c
... 20L
ct
1
r-
010
CATION
CONCENTFlll.TION
"'OLES
10ER
LITER
Figure 10 - EFFETS DES SELS DE CALCIUM ET DU MAGNESIUM
SUR LA TOXICITE DE L'AMMONIAQUE
°..--.......
1
-~-...- .......-~-or---T-""'T'"-.,..-.....,r---r--,
CONCENTRATIONS
IN
mg"
8
AS ACETIC ACIO
.....Cl
• 6
o
Lù
10,000 mgll NH4Ac +
N
4pOO mg/I CaAc2
--1...~ 4
Lù
...
10,000 mg/I NH4Ac +
~
4,000 mol1 MOAC2
Lù
~ 2
10,000 moll NH4Ac
24

---

- 2'j -
Les causes de ce point de divergence n'ont jamais été discu-
tées.
On peut cependant penser que cela est
dû au fait que
les
uns aient travaillé sur un milieu de culture et les autres sur des
effluents de digestion.
0' une
manière
généra le,
on
constate que
les cations monova-
lents sont plus toxiques que les cations divalents sur la digestion
anaérobie.
Les considérations sur l'inhibition et la toxicité de l'ammo-
nIaque
dans
la
digestion
anaérobie
sont
très
controversées.
Les
seuils d'inhibition et de toxicité qui ont été déterminés par di-
vers groupes de recherche sont di fférents.
Il
en est de même des
causes invoquées pour expliquer ces phénomènes.
3.2
- Effets de l'ammoniaque
à des concentrations inférieures a 0,1 M
D'une manlere générale,
les données bibliographiques relatives
3 la digestion anaérooie
des composés ayant des teneurs en NH 4+ in-
férieures à 0,1 M ne font pas état de phénomènes d'inhibition ou de
toxicité.
Velsen
(1979) l'a montré sur la digestion anaérobie des boues
d'égouts et du fumier de porc contenant de l'ammoniaque à des con-
centrations comprIses entre 0,01
et 0,08 M.
De même, Melbinger et
et Donnelon (1971) n'ont pas davantage pu observer d'inhibition sur
des expériences de digestion anaérobie des boues d'eaux résiduaires
à des concentrations en NH + comprises entre 0,09 et 0,1 M.
4
Mc
Cart y
(1964) affirme me me que les concentrations comprises
entre 0,003 et 0,01 M ont un effet bénéfique sur la croissance des
microorganismes anaérobies.
Cependant,
quelques
données
bibliographiques
contradictoires
font allusion a une
inhibition de
la production de méthane à des
concentrations en NH + inférieures à 0,1 M. C'est le cas des résul-
4
tats
obtenus
par
Hulshoff et al
(cités par Koster et Lettinga -
1984).
Ces auteurs auraient observé un retard significatif dans le
démarrage de la fermentation de résidus agroalimentaires présentant
un taux d'azote relativement bas.

---

- 30 -
Mais,
ces auteurs pensent que
ces
résultats s'expliquent par
le
fait
que
les
conditions
exigées
pour
la méthanogenèse ne se-
raient
pas
optimisées
dans
leur
système,
les
expériences
étant
menées en batch.
Ils se rallient donc à l'idée générale que des concentrations
en
NH +
inférieures
a
0,1 M ne posent pas de
problème
important
4
dans
la
digestion
anaérobie.
Il
apparaît
meme
que
la
d'azote à concentration trop faible est défavorable
tion, par ralentissement de l'anabolisme cellulaire.
3 .3 - Effets de l'ammoniaque
à des concentrations supérieures a 0,1 M
A des
concentrations supérieures à 0,1 M,
plupart des auteurs notent des effets néfastes de l'ammoniaque sur
la
digestion
anaérobie.
Ces effets se traduisent par une diminu-
tion, voire même un arrêt de la production de gaz et une augmenta-
tion du temps de latence.
Hobson et Shaw (1976) ont étudié la production de méthane sur
des
cultures
de l'1ethanobacteriwn formicicuJTI.
Ils
ont
observé
une
diminution
de
la
production
maximale
de
méthane
en fonction des
concentrations croissantes de NH + et un blocage du dégagement ga-
4
zeux à 0,22 M.
Les memes observations ont été faites par Kroecker
(1979)
sur
des boues d'eaux
résiduaires municipales.
Ces boues étaient à des
concentrations en ammoniaque allant de 0,11 à 0,38 M. Cet auteur a
noté un arrêt total de
la production de gaz à 0,38 M alors que
Hobson
et
Shaw
l'ont
observé
a
des
concentrations
plus
basses
(0,22 M)
Ve Isen
, (1979)
sur
deux
substrats
di fférents,
les
boues
d'égout et du fumier de porc, a aussi constaté une diminution de la
quantité maximale de gaz produit. Celle-ci était également fonction
de
l'augmentation de
NH + mais il n'a pas constaté un arrêt de la
4
production de gaz comme cela a été le cas pour J.Krocker et Hobson
et al.

---

- 31 -
Par ailleurs,
à des concentrations en ammoniaque superieures a
0,1 M,
il
apparaitrait
une
augmentation
de
la
durée
de
latence
(Velsen - 1979, Braun et al. - 1981)
Cette phase de latence est plus ou mOins longue selon la natu-
re du substrat. Velsen a observé une augmentation du temps de laten-
ce de la à 40 Jours sur les boues d'égouts enrichies en ammoniaque
à 0,13 et 0,30 M.
Braun
et
al
(1981)
ont pour des
lisiers de
porc
constaté,
après enrichissement en ammoniaque à 0,11 et 0,20 M que le temps de
latence passe de la à 30 jours.
Par contre,
on
relève des expériences de digestion anaérobie
de substrats à concentration en NH + supérieures à 0,1 M dans les-
4
que Iles
une
telle
augmentation
de
phase
de
latence
n'a
pas
été
observée.
C'est le cas pour des fumiers de porc amenés a 0,13 et 0,20 M
de NH + (Velsen - 1979) et des boues méthanigènes de 0,11 et 0,15 M
4
de NH + provenant d'un réacteur UASB (Hoster et Lettinga 1984).
4
Il
se
pourrait
donc
que
les
bactéries
méthanigènes
soient
susceptibles de s'adapter à des milieux enrichis en ammoniaque. Ce
phénomène expliquerait en partie les données contradictoires rele-
vées
dans
la
littérature
sur
le
seuil
à partir duquel se mani-
festent les effets de l'ammoniaque à des concentrations supérieures
à 0,1 M.
La
fermentation méthanique des
substrats bien acclimatés aux
bactéries
méthanigènes
ne
serait
pas
affectée
par
une montée en
reglme.
L'ammoniaque
ne
deviendrai t
inhibiteur ou toxique que SI
l'augmentation
de
sa
condensation
au
dessus
de
0,1 M dans
des
systèmes
a
alimentation
continue
est
trop
rapide
(Melbinger
et
Donnellon - 1971).
Les bactéries méthanigènes dans ce cas ne peuvent pas utiliser
au fur et à mesure qu'il se forme tout l'ammoniaque, ce qui se tra-
duit par une perturbation momentanée de la stabilité du système.

---

- 32 -
L'adaptation
des
bactéries
méthanigènes
dépendrait
donc
du
taux de formation de NH + qui, lui-même est déterminé par la charge
4
et le temps de rétention hydraulique (Braun et al - 1981).
Ces
résul tats conduisent à penser
que
les conclusions sur le
blocage de la fermentation à des concentrations de NH + supérieures
4
à 0,1 M sont, dans certains cas,
très hâtives.
Les expériences des
différents
auteurs
qUI
l'affirment
ont
été
généralement
suivies
pendant 15
jours alors que l'adaptation des bactéries méthanigènes
pourrait nécessiter des délais plus longs.
Par ai lIeurs,
l'ensemble des travaux sur les effets de NH + à
4
des concentrations supérieures a 0,1 M ont été effectués à des pH
supérieurs
à
7.
Les
résul tats
obtenus
mettent
donc en évidence,
contrai rement
aux
affirmations
de
Mc Cart y
(1964)
qu'à
des
pH
+
supérieurs
à
7 et
pour
des concentrations en NH
supérieures à
4
0,1 M,
il ne se manifeste pas toujours un blocage de la production
de
méthane.
La
nature
du
substrat
semble
à
cet égard avoir une
influence notable sur le déroulement de la fermentation méthanique.
3 .4 - Antagonisme et synergisme
de certains composés chimiques
avec l'ammoniaque.
Oes
effets
antagonistes
ou
synergiques
de
l'ammoniaque avec
certains cations ont été observés sur des expériences de fermenta-
tion méthanique par
Kugelman
et Mc Cart y
(1965) et
Kugelman
et
Chin
1971).
Oans
un
milieu
contenant
de
l'ammoniaque
et
du sodium,
ce
dernier
réduit
la
toxicité
due
a
NH +
dans
le
domaine
de
4
concentration
ou
celle-ci
se
manifeste.
Par
contre,
il
y aurait
synergisme SI le sodium est le cation toxique.
Le calcium produirait, à partir de 0,01 M, un effet synergique
sur
l'ammoniaque.

---

- 33 -
Figure 11 - EFFETS INHIBITEURS DE QUELQUES SELS D'AMMONIUM
(d'après MAC CARTY et al. - 1964)
5
CONCENTRATIONS
AS
ACETIC
ACID
4,000 mg/l AMMONIUM SALT PLUS
2,000 mg" AMMONIUM
ACETATE
4
0
3
LU
N
--'...
CONTROL
:> 2
NH
LU
...-t
....
LU
U
-:(
0L-1IIIIIIIC:=:::..-L_...L-_l.------.L_-.L._...L----lL.---L.._-'--_""---'"
o
2
4
6
8
10
12
TIME
IN DAYS

---

- 34 -
Certains travaux
rapportent que le magneslum également aurait
un effet antagoniste avec NH +. C'est le cas des travaux de Mc Cart y
4
et Kinney (1960) (figure 10) et ceux de Braun et al.
(1981).
Par ailleurs,
une
inhibition de
la digestion anaérobie a été
observée selon que l'ammoniaque est apporté dans le milieu sous for-
me de différents sels d'ammonium.
Ces observations ont été faites
par Mc Cart y et Kinney (1961) en étudiant la dégradation de l'acé-
tate
dans
un
mi lieu
de
cul ture.
Ils ont constaté une diminution
croissante de
la dégradation de
l'acétate selon que NH + est ap-
4
porté sous forme de NH + H C0
; NH Cl et NH CH COOH (figure 11).
4
3
4
4
3
Il apparaît que les effets inhibiteurs et de toxicité de NH +
4
sur la fermentation méthanique sont un phénomène complexe et encore
assez mal élucidé. Ces effets dépendraient de plusieurs facteurs en
interaction entre eux.
Il est nécessaire de connaître les composés qui peuvent exer-
cer
des
effets
antagonistes
ou synergiques avec
l'ammoniaque.
De
même,
il faut connaître les concentrations au niveau desquelles ces
effets se manifestent (Mac Cart y et al. - 1961)
Mais,
dans
la
pratique,
cela n'est pas toujours facile.
Les
informations
sur
l'antagonisme
et
le synergisme des cations font
défaut et celles dont on dispose sont souvent contradictoires.

---

Chapi tre III
MATERIELS ET METHODES
L'analyse
des
données
publiées
a
laquelle
nous
venons
de
procéder fait apparaître que la fermentation méthanique s'accompa-
gne de transformations métaboliques complexes de l'azote et que les
résultats obtenus par différentes équipes ayant ~tudi~ ce probl~~e
au nIveau fondamental ou appliqué sont souvent contradictoires.
Or,
ce
problème
du
devenir
de
l'azote
dans la
fermentation
méthanique est particulièrement important du point de vue pratique.
La teneur en azote d'un substrat a une influence importante sur les
cinétiques de production de gaz au cours de la fermentation méthani-
que.
En conséquence, nous avons, dans ce travail, repris ce problè-
me
en
étudiant
le
devenir
de
l'azote et ses effets dans le cas
particulier
de
la
fermentation
méthanique
de
la
jacinthe
d'eau
(Eichho~nia c?assipes).
Le choix de cette biomasse répond à une préoccupation du CONGO
qUI
a entrepris, entre autres, l'étude des conditions de valorisa-
tion
énergétique
de
cette
plante
particulièrement
prolifique
en
climat tropical. Ce choix se justifie par ailleurs par le fait que
cette
biomasse
présente
une
richesse
en
protéines
relativement
grande.
Ce travail comporte deux parties
Dans
la
première,
nous
avons
étudié
l'évolution
des
différents
composés azotés
en
parallèle
avec
les
paramètres de sui vi
usuels
d'une fermentation m~thanique :
production de gaz,
demande chimique en oxygene (DCO), acides gras
volatils (AGV), pH

---

- 3b -
Ces paramètres sont ici utilisés en tant que reperes des différen-
tes phases de fermentation.
L'azote étant a prIorI conserve au cours de la digestion anae-
robie, nous avons essayé de faire un bilan de cet élément en tenant
compte des ajouts et des quantités d'effluents extraites.
Dans
la seconde partie,
nous avons étudié l'influence de l'azote,
précisément
de
l'ammonium
utilisé
en
ajouts
â
différentes
concentrations
dans
la
digestion
anaérobie.
Nous avons essayé de
relier les flux de production de gaz et sa composition aux quanti-
tés d'ions ammonium présents dans le milieu en fermentation. Outre
l'intérêt
qu'elle
présente
pour
juger
d'éventuels
effets inhibi-
teurs des ions ammonium dans le cas précis de
la jacinthe d'eau,
cette étude nous fournira également des renseignement susceptibles
d'être extrapolés pour
les cas de substrats
riches en azote tels
que les fientes de volailles, le lisier de porc, ...
Nous
présenterons dans ce chapi tre succinctement le matériel
biologique ainsi que les matériels et méthodes analytiques utilisés.
L'originalit~ de ce travail ne réside pas dans la nouveauté
des techniques expérimentales de suivi de la fermentation méthani-
que mais dans l'utilisation des techniques classiques et normali-
sées que nous avons transposées aux conditions de nos expériences.

---

- 37 -
. - Matériel biologique
LA JACINTHE D'EAU (Echhwnia.
JO
crass'&pes
La
jacinthe d'eau est une plante aquatique originaire d'Améri-
que
tropicale.
Elle
comporte
un
rhyzome
central,
d'où partent des
racines et des feui Iles.
Des renflements au niveau des tiges et des
pétioles lui permettent de flotter à la surface de l'eau.
Son
mode
de
reproduction
est
essentiellement
végétatif.
A partir
de
bourgeons
axillaires
situés
a
l'aisselle
de
chaque
feuille
se
développent
des
stolons
qUI
donnent
naissance
à
de
nouveaux plants.
La croissance de la jacinthe d'eau est optimale a des tempéra-
tures
comprises
entre
25
et
28°C
et
devient
nulle
a des
valeurs
inférieures à 10°C
(François - 1978).
La
jacinthe d'eau est sensi-
ble
au
pH,
l'optimum étant
compris
entre
6 et
6,5.
Ses
besoins
nutritifs sont faibles et surtout d'ordre minéral.
Sa productivité est l'une des plus élevées du règne végétal.
Les
données
bibliographiques
relatives
a
ce
point
varient
beau-
coup
145 tonnes
de
matières sèches à l'hectare par an
(Wolverton
et
Mc
Donald
- 1979)
70 tonnes à l'hectare par an
(Sauze - 1983),
25 à 40 tonnes à l'hectare par an (Alliroîod et de Parceveaux - 1983).
D'après
Debrusk
et al.
la
productivité
de
la
jacinthe d'eau
est
fortement
dépendante
de
la
densi té
des
plantes,
laquelle
est
2
estimée optimale à 1 kg de poids/sec/m
La
jacinthe d'eau que nous avons utilisée provenait d'une part
de
cultures effectuées
par
EDF à la centrale de Saint Laurent des
Eaux et, d'autre part, du Centre d'Etudes Atomiques de Grenoble.

---

- 58 -
Tableau 4
COMPOSITION DES JACINTHES D'EAU
en % par rapport
d'après Wolverton
d'après Klass
d' après Fauci Ile
au poids sec
et Mc Donald (1980)
et Ghosh (1980)
et Aubart (1983)
1
!
mati ères sèches
5
9,80
5,70
matières volatiles
88,90
77,70
71 ,50
N
2,35
1 ,96
3,21
P
0,445
0,46
0,43
K
1 ,99
1 ,48
3,50
C
39,90
41,10
35,60
C/N
17,10
21,00
11 ,10
1
Na
-
1 ,85
0,45
Mg
-
0,35
0,44
Ca
-
2,15
5,20
CeJ lulose
21 ,50
16,20
15,60
Hemi.cellulose
33,90
55,50
15,10
Lignine
6,0
6,10
3,27

---

3,'
-
' j -
Tableau 5
CARACTERISATION INITIALE DES SUBSTRATS UTILISES
Substrat S1
Substrat S2
Substrat S3
Cultures
Origine
Cultures
Cultures EDF
CEA Grenoble
St Laurent js Eaux
CEA de Grenoble
Dilution
1/2
1/2
1/2
Nature de
Pied de cuve
Pied de cuve
Pied de cuve
l'ensemencement
de jacinthe d'eau
de jacinthe J'eau
de jacinthe d'eau
Taux
5 %
5 %
5 %
d'ensemencement
29,83
33,50
30,72
D C O(g/1)
(M)
NK\\
0,010
0,017
0,010

---

-
4Ù -
La
composition
de
la
jacinthe d'eau
cultivée à Saint Laurent
des
Eaux
est
donnée
dans
le
tableau
4.
On
note
que
la
teneur en
matières
sèches
est
comparable
à
celle
de
la
jacinthe
d'eau
de
l' IGT
dont
la
composi tion
chimique
est donnée dans les travaux de
Ghosh et al.
(1980)
La proportion en minéraux est, par contre, plus
importante.
Cette différence serait due au milieu de culture moins
riche
en
composés
organiques
utilisé
par
EDF
(Faucille
et Aubart
1983) .
La jacinthe d'eau en plantes entières a été, pour notre étude,
au préalable broyée en présence d'une masse d'eau égale à la masse
de
jacinthe,
de
façon
à obtenir
un substrat homogène suffisamment
fluide.
Ceci est indispensable pour des études sur des fermenteurs
de petits volumes (un à deux litres).
Le broyage et la dilution de la
jacinthe d'eau plantes entiè-
res
peuvent
entraîner
des
variations
de
composition moyenne liées
au
fait
que
d'un
échantillonnage
à
un
autre
les
proportions
de
feuilles
et
de
racines
ne sont pas toujours les mêmes.
Nous avons
-
. -
l
_.
~. l
d
determlne
que ques
caracten~tft,.tI.e·s-1-I:lp;tl\\aes
es
substrats
que
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nou s avons
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1,f.9,p.~
Au
cours
de
cette
étud'e~1'1'"j:1~-sY-P,€s'>CIe fermenteurs ont été
.
~!ttj"81 ;~. \\
.
utilisés
fermenteurs à allmentat~o~~d~scontlnue d'une part et fer-
menteurs à alimentation semi-continue d'autre part.
En fer",entation â alimentation discontinue, tout le substrat est
introduit en une seule fois dans le fermenteur. Le système est lais-
sé en fermentation sans alimentation jusqu'à épuisement du substrat.
En
fermentation
à alimentation
semi-continue,
par
contre,
le
fermenteur
est
alimenté
périodiquement en remplaçant à périodicité
définie une partie du mélange en fermentation par du substrat frais.
2.1_ fermenteurs à alimentation discontinu
Pour
réaliser
les
fermentation
avec alimentation discontinue,
nous avons utilisé des ballons de 100 ml, reliés chacun à un flacon
d'un litre par un tube étanche au gaz. Ce flacon était rempli d'eau
acidifiée
à pH 2 afin d'éviter
la
dissolution
de
COZ dans
l'eau.
(figure 12)

---

41
Figure 12 - FERMENTEURS A ALIMENTATION DISCONTINUE
il
. J
.: ~
,.

---

- 42
Figure 13 - FERMENTEUR A ALIMENTATION 5EMI-CONTINUE
,
\\
.
~
. '"
.
"
' , ; ; / '
~'L/~ ~:~{
~
", 0.(
..
"0;
.....:
"
.......
"0"\\,:;'
,--"'-
.....~ '.: ;"

---

- 43 -
L'eau contenue dans le flacon,
sous la pression du gaz produit
dans le réacteur, se déverse dans une éprouvette graduée qui indi-
que la production du biogaz.
Le prélèvement du gaz était effectué dans le réacteur par une
serIngue.
~.2 -fermenteurs en alimentation semi-continue (figure 13)
Les
fermenteurs à alimentation semi-continue ont été consti-
tués par des ballons de deux litres. Ces ballons étaient munis d'un
couvercle sur lequel étaient montés :
.... un entonnoir par lequel ont été effectués des ajouts et dont la
base est équipée d'un robinet de 10 mm ;
* un robinet à trois voies servant au prélèvement de gaz ;
* une pompe péristal tique assurant le brassage des matières en
fermentation par recirculation du gaz.
En point bas,
le réacteur étai t munI d'un robinet permet-
tant l'extraction des effluents.
Comme
pour
les
digesteurs
en
discontinu,
ces
fermenteurs
étaient
reliés
a
un
flacon
contenant
de
l'eau
acidifiée
avec
raccordement par
un tube normagaz.
Ce flacon étai t munI d' un tube
souple de surverse plongeant dans une éprouvette graduée.
3 - Méthodes analytiques
3.1
-Analyse de gaz
Les
pourcentages
de
méthane
et
de
gaz
carbonique
ont
été
mesurés
en
relevant
Ir intensi té
des pics d' absorption de lumière
_
- 1 ,
infra-rouge a 3020 et 2340 cm
caracteristiques respectivement de
chacun de ces deux composés.
Le protocole mIS au point a été décrit par C.Rapin (1983).

---

- 44 -
3.2 - Demande chimique en oxygene
La
demande chimique en oxygene
(DCO)
est la quantité d'oxygè-
ne,
exprimée
en
mi Il igrammes,
qUi
st
consommee
par
des
matières
oxydables
dans
des
conditions
de
l'essai,
contenues dans un litre
d'eau.
Elle a été mesuree selon la norme AFNOR T 90-101
(annexe 1)
La
DCO
est
un
paramètre
important
de
sui vi
de
la
digestion
anaérobie.
Elle
permet d'évaluer la quantité de méthane théorique-
ment productible par fermentation anaéorobie d'un résidu biologique
quelconque (cf chapitre 1)
3.3 - Azote Kjeldahl
La
méthode de détermination de l'azote Kjeldahl
repose sur la
transformation
de
l'azote
protidique
en
azote ammonical
par miné-
ralisation
à chaud par l'acide sulfurique en présence d'un cataly-
seur.
11
y a
oxydation
de
la
matière
organique
avec formation de
H 0 et de CO
et réduction de l'acide sulfurique en acide sulfureux
2
2
avec élimination de 50 ,
2
La
minéralisation
est
SUiVie
de
l'alcanisation
du
milieu par
une base pour libérer l'ammoniac formé qui est séparé par distilla-
tion puis titré (annexe 2)
3.4 -
L'azote ammoniacal
L' azote
ammoniacal
a
été
déterminé
selon la norme AFNOR T 90
015 (annexe 3).
La méthode consiste en un entraînement à la vapeur
en
milieu
alcalin
de
l'ammoniaque
salifiée
ou
libre
suivi
d'un
dosage acidimétrique.

---

- 45 -
Ci·i::;,,'.i;.~: ,\\YP.'\\f~::,\\:TëS J'ACI~lTt DE QUELQUES COMPOSES a T = 25°C
A G V
Acide formique
3,75
Acide acétique
4,75
Acide propionique
4,87
Acide butyrique
4,90
Acide lactique
3,86
CARBONATES
-
H C0
/ HC0
3,77
2
3
3
-
C°zlHC03
6,40
HC03-/CO~
10,30
COiVlPOSES AZOTES
+
NH
/NH
9,20
4
3
+
CH NH
/ CH NH
10,61
3
3
3
2

---

RESULTATS EXPERIMENTAUX

---

CHAPITRE IV
-
1 -
DEVENIR DE L'AZOTE AU COURS
DE LA FERMENTATION METHANIQUE DE
LA JACINTHE D'EAU
~otr~ étude a comporté ceux parties.
Dans
la
première,
nous
avons
étudié
les
transformations
de
l'azote et l'évolution de la concentration des composés azotés solu-
bles
formés
au
cours
de
la fermentation méthanique de la
jacinthe
d'eau.
Deux
types
d'expériences
ont
été
effectuées
avec
appro-
visionnement initial d'une masse de
jacinthe d'eau sans renouvelle-
ment ultérieur,
dite en alimentation discontinue d'une part et avec
ré-alimentation semi-continue d'autre part.
Dans
la
deuxième,
nous
avons
étudié
l'influence
du
temps
de
rétention
sur
la
dégradation
des
composés
azotés
au
cours
de
la
fermentation méthanique.
, - Etude en alimentation discontinue
Nous avons uti l isé,
pour cette expérience, le substrat 5,. Ses
l'nl"tl'ales sont données dans le tableau 4 au chapi-
caractéristiques
tre Ill.
,
600 grammes
de
ce
substrat
ont
été
fermentés dans un réac-
teur de deux litres que nous avons
placé à 37°C.
Nous avons laissé
le système évoluer pendant 45
jours,
période à l'issue de laquelle
nous avons arrêté l'expérience.
d
b t
t
a été analysée avant la mise
La
phase
1 iquide
e
ce su s ra
en fermentation et après 45 jours de fermentation.

---

- 48 -
Les para~êtres suivant ont êtê mesures
- azote Kjeldahl soluble,
- azote ammoniacal soluble,
- composês aminês solubles totaux
- demande chimique en oxygène.
Ce dernier paramètre contrairement aux autres a êtê mesure sur
la mêlange jus et particules en suspension.
Par ailleurs,
le volume de gaz produit êtait quotidiennement
relevê et analysê afin de dêterminer les proportions en mêthane et
gaz carbonique.
Les rêsultats obtenus sont donnés ci-après.
1.1- Production de gaz
Les
rêsultats sont rêcapitulzs dans le tableau 7 et la figure 14.
On constate que le dêgagement gazeux commence très rapidement, sans
pêriode
de
latence
mani feste.
Nous
pouvons
ex pl iquer
cette
mlse
en fermentation
rapide par le fait que
le milieu a êté ensemencé
par des boues provenant d'une fermentation méthanique de jacinthe
d'eau, donc contenant des populations acidogène et mêthanigène adap-
tées à ce substrat.
La courbe de production de gaz prêsente deux reglons de pentes
sensiblement diffêrentes.
Celles-ci
matérialisent deux régimes de
production de gaz au cours de l'expérience. Le dêbit initial était
de 0,27 l/l/jour.
Il est de même ordre de grandeur que ceux obtenus
précêdemment dans notre laboratoire dans les mêmes conditions expê-
rimentales.
A partir
du 15e
jour,
ce débit de production de gaz
s'abaisse
vers
0,17 Ill/jour.
Cette
baisse de débit correspond à
une évolution du mi lieu de fermentation,
l'expérience étant menée
en alimentation discontinue aucun apport de substrat frais n'avait
été effectué.

---

Figure 14: FERMENTATION EN REGIME DISCONTINU
Producli on de gaz
9
V(l/1)
o
5
10
15
20
25
30
35
40
45
JOURS
Volume de biogaz produi.t par volume de CI.Ne eu cours de la fermentation du substrat
Tableau 7
PRODUCTION DE GAZ EN ALIMENTATION DISCONTINUE
Biogaz (1/1 de digesteur)
8,66
Débit initial
0,27
Débit
(lll/jour)
Débit
0,17
au 45e jour
Volume de méthane théoriquement
productible calculé à partir
5,68
de la variation de la D C 0
O/l)
Volume de méthane produit
expérimentalement (1/1)
4,76

---

Tableau 8
EVOLUTION DE LA CONCENTRATION
DES COMPOSES AZOTES EN ALIMENTATION DISCONTINUE
DANS LA PHASE SOLUBLE
Valeurs initiales
Valeurs finales
(M)
(M)
Azote Kjeldahl
0,011
0,823
Composés aminés (RNH )
2
0,010
0,021
dosés par titrimétrie
Azote ammoniacal
0,0038
0,014

---

- SI -
Nous avons par ailleurs évalué la variation de DCa totale en
45
jours.
En
admettant
que
cette
variation
porte uniquement sur
l'état rédox du carbone (voir chapitre 1) nous obtenons une produc-
tion de méthane de 5,681/1.
Expérimentalement, nous avons relevé
une production de 4,76 1/1 soit 83,8 % de la quantité maximale cor-
respondant
à
la
variation
de
la DCa.
Ceci
semble
raisonnable en
raison de pertes probables liées aux dimensions modestes des fermen-
teurs utilisés.
1.2 -Transformations de l'azote et concentrations des composes azotés
formés en solution
Les
résul tats
des
ana 1ys es
portant sur
la détermination des
différentes formes de l'azote dans la phase soluble avant et après
fermentation sont donnés dans le tableau 8.
On constate que, dans le substrat initial, les concentrations
d' azote
total
en
solution mesuree
par
la méthode de Kj eldahl et
de composés azotés acido-basiques de constante apparente d'acidité
(pKa)
voisine de 9 sont très voisines (environ 0,010 M).
Il appa-
raît donc que presque tous les composés sont vraisemblablement por-
teurs d'une fonction amine libre. Il s'agit, par conséquent, d'ammo-
niaque, d'amino-acides et, éventuellement d'amines libres.
Dans cet ensemble, la concentration en ammoniaque n'est initia-
lement que de 0,0038 M, ce qui correspond à environ 38 % des compo-
sés azotés totaux.
Après 45 jours, la concentration en azote total soluble a plus
que doublé du fait de la dissolution de matières azotées initiale-
ment
insolubles
mais
la
proportion
d' ammoniaque est passée de
0,0038 M à 0,014 M.
La concentration d'ammoniaque a fortement aug-
menté et constitue maintenant 68 % de l'azote total. La concentra-
tion des composés aminés non volatils avec NH
s'est maintenue vers
3
0,007 M.
Enfin, il n'y a presque pas de composés azotés non aminés.
- ' .....

---

En
conclusion,
il apparaît qu'au cours de la
fermentation me-
thanique des
résidus solides,
une partie de l'azote contenu dans la
phase
sol ide
passe
en
solution.
La
fraction non ammoniacale cons-
tituée vraisemblablement d'aminoacides et d'amines se transforme en
grande
partie
en
ammoniaque
dont
la
concentration
augmente
for-
tement
en
cours
de
fermentation,
malS
se
maintient
toutefois
en
valeur
absolue
à une valeur à peu près constante dans les limites
de temps explorées.
2 - Fermentation en alimentation semi-continue
La
jacinthe d'eau utilisée dans cette expérience est le subs-
trat 52 (tableau 4 - chapitre Ill).
La
fermentation
a
été
réalisée
dans
un
réacteur
de
deux
li-
tres,
initialement rempli de 1300 g de substrat que nous avons pla-
cé à 37°(.
Nous
avons
prélevé
100
g d'effluents
une
fois
tous
les
deux
jours et ajouté la quantité équivalente de jacinthe d'eau, fraiche,
broyée et diluée de moitié. Le temps de rétention était de 26 jours.
Les
résultats
obtenus
sont
déve loppés
ci-après.
Nous donnons
respectivement
les
résultats
relatifs
a
l'évolution
de
composés
carbonés afin
de
définir
les
états
de
fermentation successivement
atteints pUIS ceux relatifs à la transformation des composés azotés
au cours de la fermentation méthanique.
2.1 -Etude de la fermentation de composé~ carbonés
La figure 15 donne la production de biogaz en fonction du temps
On
distingue
les
deux
phases
classiques
de production de gaz
en
fermentation
méthanique
dans
des
systèmes
à al imentation semi-
continue.
On
observe d'une
part
une phase de faible production de
gaz
pendant
laque Ile
est
principa lement
produit du
gaz carbonique
et d'autre part une phase de production d'abord exponentielle puis
linéaire
au
cours
de
laquelle
le
gaz
produit
est
majoritairement
composé de méthane, à raison de 53 % contre 47 % de gaz carbonique.

---

- 53 -
Figure 15: FERMENTATION EN REGIME SEMI-CONTINU
Production de gaz
16
. \\
•
14
12
10
V(l/J)
8
6
4
2
_.~~
1
o •
'>
0
S
10
IS
20
2S
30
3S
JOURS
Volume de b1ogoz produ1t po'r volume de cuve ou cours de 10 fermentatlon du substrat 2
tableau 9
ETUDE DE LA PRODUCTION DE GAZ EN ALIMENTATION SEMI CONTINUE
B 1 o GAZ
(1/1)
14,40
initial
0,12
Débit O/lfjour)
.
-;
au 32e jour
0,73
~
...
\\
Volume de methane theorlquement productible,
calculé à partir de la variation de la DCO
entre le 16e et le 35e jour
6,62
(l/l)
.'
;
.
"
. .
....'
":
Volume de méthane
'
prouuit expérimentalement
5 ,13_,.<~
0/1 )
,.'>"
,<:;;)
.... :
....
.. ~:..,; ~~:
...:j;'
i::;:\\~~? ~\\

---

,;
.... ,
,'
.....
>
FIGURE 16: FERMENTATION EN REGIME
5EMI-CONTINU: EVOLUTION DE LA DCO
35 .,T
1
30
1
5\\
25 T
\\
20
'. .""'.' '. .,
'
,
.' .
9/1
'
",
15
• ••
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
JOURS

---

Le débit correspondant à cette deuxième phase a été de 0,73
1/1 de digesteur. Il est proche des résultats obtenus par S.Faucille
(1983) avec le même de temps de rétention, également pour la fermen-
tation méthanique de la jacinthe d'eau.
;!ous a'Jons calculé la quantité de méthane théoriquement pro-
ductible en fonction de la variation de la DCO. La figure 1é donne
les variations des valeurs de DCO totale en fonction du temps. Nous
avons considéré les valeurs de DCO comprises entre le 16e et le 31e
jour.
Ceci
correspond
à
une
période
où
le
système
est
presque
stabilisé.
La
variation
de
la
DCO
correspondant à la somme des ajouts
effectués et des quanti tés extrai tes pendant cette période est de
17,33 g
Elle
représente 6,62 l
de méthane à 25°C.
Expérimentalement,
nous avons relevé 5,13 l de méthane soit 77,5 % de la quantité maxi-
male théorique.
La méthode de calcul a été
décrite
par N.Ossombo
(1973) et C.Rapin (1973).
Les résultats de cette étude sont récapitulés dans le tableau 9.
La figure 17 montre l'évolution du pH en fonction du temps. On
observe globalement trois phases. Le pH initial baisse de 6,2 à 5,5
durant la première semaine puis augmente ensuite et se stabilise à
7,2
et
7,3.
Cette
évolution
est
liée
a
l'accumulation
pUIS
la
dégradation
d'acides
gras
volati Is
ainsi
que
le
montre la figu-
re 18.
La
concentration
ini tiale
des
acides
gras
volati Is de la
jacinthe d'eau broyée et diluée de moitié était de 0,007 M.
Elle
atteint un maximum à 0,057 M, décroît et se stabilise à 0,024 M.
Ces
résultats étant comparables à ceux obtenus précédemment,
au laboratoire,
nous pouvons considérer les résultats des analyses
des composés azotés au cours de cette expérience comme représenta-
tifs d'une fermentation méthanique de manière générale.

---

- Sb -
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Cl
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Ul
•
1
n
o
•
z
--l
-
01
o
Z
C

---

Figure 18: FERMENTATION EN REGIME SEMI-CONTINU
Evolution de 1ft concentration des 8cides gras volatils en phase soluble
Ci ,CiE,
.......
,•...-- "'"
•.--
"',
0.,05
l
'.
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\\
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1
\\
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0,03
1
...\\
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1
1
\\
+-
1
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0,02
1
ll
0,01
.1
,
l
,
,
,
,
1) ,00
o
5
10
15
20
25
30
,JOURS

---

2.2- Transformations et évolution de
la concentration des composes
azotés formés
Comme précédemment, le suivi analytique a porté sur la détermi-
nation de l'azote Kjeldahl soluble, ammoniacal et des composés ami-
nes solubles déterminés par titrimétrie acide-base.
Les résultats des analyses de l'azote Kjeldahl, ammoniacal et
composés amInes totaux dans
la phase soluble sont donnés dans le
tableau 10
Nous constatons que les concentrations de l'azote Kjeldahl et
des composés aminés sont du même ordre de grandeur
La figure 19 présente les courbes d'évolution de la concentra-
tion de ces deux paramètres en fonction du temps. Ces courbes pré-
sentent
chacune
trois
phases
augmentation
de
la
concentration
jusqu'à un maximum puis diminution suivie d'une stabilisation.
Initialement,
l'azote
Kjeldahl
était
de
0,017 M et
apres
8
jours de fermentation, c'est à dire à la fin de la phase acidogène,
sa concentration était de 0,033 M. La concentation en azote diminue
lorsque la méthanogénèse commence. La concentration en azote total
se stabilise à partir du 17e jour à 0,020 M. Par rapport au maximum
obtenu après 8 jours de fermentation, ceci correspond à une diminu-
tion de l'azote de 39 %. Il apparaît donc qu'une partie de l'azote
de la phase solide est passée en solution.
Afin
de
préciser ce point,
nous avons étudié l'évolution de
l'azote total soluble par rapport à l'azote total du substrat (jus +
particules
en
suspension).
Pour ce faire,
nous avons effectué un
bilan de l'azote dans chaque échantillon prélevé.
Chaque échanti lIon d'effluent a été cent ri fugé et nous avons
mesuré la masse du culot et du surnageant. Nous avons calculé, en
tenant compte de la masse de chaque fraction,
la quanti té d'azote
total dans l'échantillon. Cette quantité est déterminée par la rela-
tion donnée dans le tableau 11.

---

Tableau 10
EVOLUTION DE LA CONCENTRATION DES COMPOSES AZOTES
AU COURS DE LA FERMENTATION METHANIQUE DE LA JACINTHE D'EAU
(alimentation semi continue)
Jours
Composés amInés (RNH )
2
Azote ammoniacal (M)
dosés par titrimétrie (M)
Azote ~jeldahl (M)
o
0,015
0,017
0,004
2
0,023
0,024
0,018
4
0,026
0,028
0,020
6.
0,023
0,015
8
0,031
0,033
11
0,029
0,028
0,016
13
0,022
0,024
0,013
14
0,022
0,025
0,011
17
0,018
0,019
0,011
19
0,019
0,020
0,012
21
0,018
0,019
25
0,020
0,021
0,012
27
0,019
0,020
0,012

---

Figure 19: FERMENTATION EN REGIME SEMI-CONTINU
Eyolution de la concentration des composés azotés en phase soluble
0,04
I~
o.,Ci?
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C·---
-O~C'
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'.~'
0,01
.+- Azotl? Kj~ld~hl
'0- Composés aminés
0,00
(1
5
10
15
20
'-,C'
.L...J
30
•..JOURS
.
.
.
L '~g~litè dl?s (:Qnç~ntr~ti'm:: ",n phasli' sollJblEo de l'~zote Kjl?ldahl et des composés de pKa voisin de 9 montre que seuls
,J.;.::: ç{Orf,posés amin~::: sc.nt li'n SI) l'Jtion

---

- 61 -
T::tt: l fI':lU 11
METHODE DE CALCUL DU BILAN DE L'AZOTE
PARAMETRES
DEFINITIONS
UNITES
NT
azote total
g
N
concentration dans le culot
g/Kg
c
m
masse du culot
Kg
c
N
concentration du surnageant
g/Kg
s
m
masse du surnageant
Kg
s
Relation
m
+
N
m
c
s
s

---

Tableau 12 - BILANS DE L'AZOTE AU COURS DE LA FERMENTATION METHANIQUE DE LA JACINTHE D'EAU
(en alimentation semi-continue ; dans 100 grammes d'échantillon)
MAS S E
(g)
NKT
NKT
NKT
NNH +
N
C
RNH
S
T
NKT
NNH +
4
2
Jours
S
4
culot
surnageant
total
mole
mole
mole
mole
mole
NKT
NKT
T
S
%
%
0
56,1
43,7
99,8
0,0047
0,0007
0,0054
0,0001
0,0006
13
14
2
48,2
49,1
97,3
0,0041
0,0011
0,0052
0,0006
0,0005
21 ,6
55
4
34,9
51,7
86,6
0,0040
0,0014
0,0054
0,0008
0,0006
26,3
57
8
29,5
64,4
93,9
0,0033
0,0021
0,0054
0,0008
0,0013
39,4
47
("-.1
'.0
13
30,2
68,6
98,8
0,0038
0,0016
0,0054
0,0006
0,0010
30
37,5
19
27 ,4
75,2
102,6
0,0040
0,0015
0,0055
0,0007
0,0008
28
46
25
28,5
73,7
102,6
0,0038
0,0015
0,0053
0,0006
0,0009
27
40
27
27 ,5
74,9
102,4
0,0039
0,0016
0,0055
0,0006
0,0010
29
37,5
NKT
: Azote
Kjeldahl dans le culot
C
NKT
: Azote Kjeldahl dans le surnageant
S
NKT T : Azote Kjeldahl dans le culot + surnageant
NNH + : Azote ammoniacal
4
NRNH : composés aminés non volatils dans le surnageant
2

---

- 63 -
r'~1
r·.
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Les résultats obtenus sont récapitulés dans le tableau 12.
Nous constatons d'abord
qu 1 il
Y a une diminution de la masse
du
culot,
les
dix
premiers
jours après
la
mise en
fermentation.
La masse de
la
phase
1iquide ayant
augmenté dans
la même propor-
tion,
il y a une diminution de la quantité d'azote total alors qu'
elle augmente dans le surnageant.
(Figures 20 a et b)
Rappelons
que
nous avons effectué périodiquement des prélève-
ments de
100 grammes d'effluents.
La
concentration en azote total
de
la
jacinthe d'eau
broyée et diluée
de moitié était de 0,058 M
soit 0,81
g/1.
Elle est donc de 0,081 g dans 100 g d'échantillon.
Nous
constatons
bien que
la
quantité d'azote total
des effluents
est
proche
de
cette valeur.
Nous
relevons des
variations de 4 à
8 % par
rapport
à la valeur totale. Ce qui représente une évalua-
tion raisonnable de la précision de mesure.
La figure 20 donne les pourcentages de la quantité de l'azote
total
en
solution
par
rapport
à l'azote total
du substrat
(jus +
particules en suspension).
Nous constatons qu'initialement l'azote Kjeldahl dans la phase
soluble
ne
représentait
que
13 % de
l'azote
total.
Cette valeur
est
passée,
après huit
jours, à 39,4 %.
Il apparaît donc que 26 %
de l'azote contenu dans la phase solide ont été libérés en solution.
Après stabilisation du système,
l'azote total en solution ne repré-
sente plus que environ 28 % de l'azote total. Par rapport au maxi-
mum atteint dans la phase soluble après huit jours, ceci correspond
a une diminution de 11 %.
Cette
apparente
augmentation
de
la quanti té
de
l'azote dans
la
phase
solide
durant
la
méthanogenèse correspond
en
fait a
la
fixation
des bactéries méthanigènes sur les particules solides.

---

Fl gure 21: FERMENT AT 1ON EN REG 1ME SEM I-CONT 1NU
Evol ut i on des concentrotions de l'ozote Kjel dol
et de
l'ammon18Que en phase soluble
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- 70 -
Nous avons étudié l'évolution dans la phase soluble de la con-
centration de l'azote total et ammoniacal. La figur~ 21 montre l'al-
lure
des
courbes
d'évolution
de
ces
deux
paramètres en fonction
du temps. Comme nous l'avons observé pour l'azote tota l,
la courbe
d'évolution de la concentration de l'azote ammoniacal présente éga-
lement trois phases
- augmentation de la concentration jusqu'à un maximum et dimi-
nution, suivie d'une stabilisation.
Initialement,
la concentration en azote ammonical représentait
14 % de
l'azote total de la phase liquide. Elle augmente en fonc-
tion du temps pour diminuer quand le système est stabilisé.
La figure 22 présente les variations de la proportion d'azote
ammoniacal
par
rapport à l'azote total en fonction du temps. Nous
constatons
que
la
concentration
de
l'azote
ammoniaca 1 représente
enVIron
56 % de
l'azote
total
soluble
aux
deuxième et quatrième
jours après mIse en fermentation. Après stabilisation, elle consti-
tue environ 40 % de l'azote total.
Nous avons comparé l'évolution de la concentration de l'azote
ammoniacal et des acides gras volatils en fonction du temps et re-
lié cette comparaison à l'étude de la production de gaz.
Nous avons montré,
dans notre étude bibl iographique, l'impor-
tance de
l'ammoniaque dans la nutrition des populations bactérien-
nes dans la fermentation méthanique. Outre ce composé,
le rôle des
AGV en tant que source carbonée de ces bactéries a été établi.
Nous avons reporté sur la figure 23 les courbes de l'évolution
de la concentration des ions ammonium et des acides gras volatils.
Nous observons que ces courbes ont une allure identique. Nous
distinguons pour chacune de ces courbes, deux phases correspondant
respecti vement
à
une
augmentation
de
la concentration
jusqu 1 à un
maximum, suivie d'une baisse progressive et, enfin, stabilisation.

---

- 71 -
Par
ai lIeurs,
nous constatons que
la diminution de la concen-
tration
en
acides
gras
volati Is
intervient
après
celle
des
ions
ammonium.
Cette dernière commence à diminuer à partir du quatrleme
Jour
alors
qu'une
baisse
de
la concentration en acides gras vola-
tils
n'est
observée
qu'à
partir
du
dixième
jour.
Le
début
de
la
phase
de
production
linéaire
de
gaz
se
situe
à
environ
10 Jours
après la mise en fermentation.
OISC~SSIONS ET CONCLUSICNS
Nous
nous
proposons
ici
d' essayer
de
fai re
une
synthèse
de
résultats
principaux obtenus en alimentation discontinue et en se-
mi-continue
afin
d'en
dégager
les
conclusions
sur
les transforma-
tions
de
l'azote
et
l'évolution
des
composés
formés
au
cours
de
la fermentation méthanique.
Il
faut d'abord noter que les concentrations initiales en azo-
te
total
dans
la
phase
soluble
n' étaient
pas
les
mêmes
dans
les
deux expériences. Elles étaient respectivement de 0,011 M et 0,017 M
pour les expériences menées en alimentation discontinue et semi-con-
tinue.
Les
provenances
de
la
j ac inthe
d'eau
sont
probablement
à
l'origine
de
cette
différence.
Les
jacinthes d'eau que nous avons
utilisées
provenaient
en effet des cultures réalisées par Electri-
cité
de
France
(EDF)
a
Saint
Laurent
des
Eaux
et
par
le
Centre
d'Etudes Atomiques (CEA) de Grenoble.
Nous avons cependant constaté que les transformations de l'azo-
te dans ces deux expériences,
de même que l'évolution des composés
azotés solubles formés étaient analogues.
En alimentation semi-con-
tinue,
la concentration en azote total au 27e jour est de même or-
dre de grandeur que celle de l'expérience en alimentation disconti-
nue
au 45e
jour (0,020 ~1 et 0,023 M)
L'azote
total
soluble a donc
augmenté dans les deux cas.

---

7',
-
L -
L'augmentation de la concentration en azote total est particu-
lièrement
importante
pendant
l'acidogenèse.
Cette concentration en
azote
total
diminue
ensui te
au
moment du démarrage de la méthano-
genèse
puis se stabi 1 ise.
Nous avons constaté que la concentration
en ammoniaque avait diminué au début de la méthanogenèse alors que
celles
des amines non volatils reste presque constante.
Cette con-
sommation
préférentielle
de
l'ammoniaque
vérifie
1 'hypothèse
de
8ryant et al
(1971)
selon
laquelle
l'ammoniaque est la principale
source azotée
de la nutrition des micro-organismes rencontrés dans
des digesteurs anaérobies.
Nous avons, par ailleurs, observé que la diminution des concen-
trations en ammoniaque et des acides gras volatils n'intervient pas
au
meme
moment.
Il
ya d'abord une diminution de la concentration
en
ammoniaque avant
celle
des
acides
gras volatils.
La libération
de
l'ammoniaque
dans
le
milieu
permet
donc
le
développement des
bactéries
acétogènes
et
méthanogènes
qui
dégradent
ensuite
les
acides gras.
L'acidogenèse s'accompagne ici d'une liquéfaction partielle du
substrat.
Nous avons constaté que le rapport entre la phase aqueuse
et la masse totale passe de 44 9 à 73 % dans le substrat en régime
stationnaire.
Cette
liquéfaction
se
traduit
également
par
un flux
continu d'azote
dans
la
phase
liquide.
L'établissement
des bilans
de
l'azote
fait
apparaître que
26 % de l'azote total contenu dans
la
phase solide
était
passé en solution. Ceci montre, comme l'ont
affirmé Van Den 8erg (1982) et Mosey
(1983) que la dégradation des
matières solides est entre autres un facteur limitant.
En
reglme
stable de
fermentation,
on constate que pour 100 g
4
de
substrats
frais
ajoutés,
correspondent 7.10-
moles d'azote to-
tal dans la phase liquide. Dans la même quantité d'extraits, il y a
4
environ 15.10-
moles.
Ce
flux
se réparti~ en une augmentation de
la
quantité
d' ammoniaque
et
de
composés
aminés
non
volatils.
La
4
4
quanti té de
ces
composés
passe
respecti vement de 1.10-
et 6.10-
_ .
-4
-4
.
moles a enVIron 6.10
et 9.10
moles pour 100 grammes d'extraIts.

---

- 73 -
- Il - Etude de l'influence du temps de rétention
sur la Jégradation des composés azotés
, au cours de la phase stationnaire
,:ùtre étude
précédente a été effectuée avec un temps de réten-
tion de 26 jours.
Afin d'examiner si ce facteur influe sur l'évolu-
tion de la concentration des composés azotés formés, au cours de la
fermentation
méthanique,
nous
avons
réalisé
deux
autres
fermen-
tations
en al imentation
semi-continue
avec
des
temps
de
rétention
respectivement inférieur et supérieur à celui utilisé précédemment.
La
jacinthe
d'eau
utilisée
était
le
substrat S3
(voir
ta-
bleau 4
chapitre
llU.Remarquons
que
ce
substrat
présente
des
variations
de
composition
initale
par
rapport
à celui étudié dans
l'expérience précédente
(S2)'
Nous constatons en particul ier que la
concentration
en
azote
total
était
plus
élevée
dans
S2
(0,017 M
contre 0,010 M)
Le fermenteur était placé à 37°C et nous l'avons laissé évoluer
en
reglme
discontinu jusqu'à production d'un gaz contenant majori-
tairement
du
méthane.
Nous avons alors
commencé
à
l'alimenter en
régime
semi-continu
en ajoutant
80
grammes
de
substrat
frais
une
fois
tous
les
deux
jours.
Le
volume
utile
du
digesteur
étant de
1,6 litre, le temps de rétention correspondait donc à 40 jours.
Nous avons ensuite augmenté la quantité des ajouts de 80 à 200
grammes de substrat frais,
le temps de rétention était alors de 12
jours.
La DCa du substrat frais était de 30,72 g/l. Ceci correspond a
des charges volumiques appliquées de 0,76 et 1,92 g de DCO/l/jour.

---

FIGURE 24: PRODUCT ION THEORIQUE DE METHANE EVALUEE A PARTIR
DES VARIATIONS DE LA DCO
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1
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30
40
50
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JOURS

---

- 75 -
FIGURE 25: DCO F.N REGIME ST AnONNAIRE SHON
lE TEMPS DE RETENTION
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50
60
.JOURS
FI6URE 26: CONCENTRATION EN A6V EN RE61ME
STA TIONNAIRE SELON LE TEMPS DE RETENTION
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40 JOURS
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12 jours
0,03
0,02
0,01
0,00
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
JOURS

---

- 76 -
Tableau 14
RESULTATS DES ANALYSES DE L'AZOTE TOTAL ET AMMONIACAL
EN FONCTION OU TEMPS DE RETENTION
Jours
Azote
total
Azote
ammoniacal
(M)
( M)
15
0,016
0,011
17
0,015
0,012
19
0,016
0,011
21
0,015
0,013
23
0,015
0,012
25
0,015
0,013
27
0,015
-
29
0,016
0,013
31
0,015
0,013
33
0,015
-
35
0,016
0,013
37
0,015
0,015
39
0,016
0,013
42
0,017
0,013
44
0,017
0,014
47
0,016
0,013
49
0,016
0,013
51
0,016
0,013
53
0,017
0,014
55
0,016
0,015
58
0,015
0,013

---

- 77 -
FIGURE 27: CONCENTRA nON D'AZOT[ TOTAL (NKTl EN REGIME
ST AnONNAIRf SHON tE TEMPS OE RETENTION
O,Olô T
0,016 ~
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..
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1 '+'
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4,,~'
~
.(Jo
~
.~
~
0,014 t
temps de
0,012 t
rétention
0,0 10 ~
1+ 40 jours
Nn (~1J
1
j
0.008
1
12jours
i
0,006
L
0,004 t
0,002
0,000
15
20
25
30
35
40
45
:,0
55
60
JOURS
FIGURE 28: CONCENTRATION O'AMMONIUM EN REGIME
STATIONNAIRE SElON lE TEMPS DE RETENTION
~:~:;I.:.··· .. " " , Lempsde
rétention
0,010
•
40 jours
C(NH4"1' )
o.ooa
0)
12 JOURS
(Ml
0,006
0,004
0,002
0,000 +---+--__-4--+----I---+--+__--+----4
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
JOURS

---

- 78 -
2.1 - Etude ..:Je la f'';rIi!':!'"1t'3'Cion des CO;,lP038S carbonés
Des problèmes techniques nous ont empêché de mesurer le volume
de
biogaz effecti vement produi t au cours de cette expérience.
Nous
avons
donc
calculé
la
quantité
de
méthane
théoriquement
produit
à partir de la variation de la DCa.
La figure 24 montre l'évolution de la quantité de méthane théo-
riquement produit au cours de l'expérience. Les débits de production
de
méthane
étaient
respectivement
de
0,10
et
0,19
Ill/jour
pour
des taux de charge volumique de 0,76 et 1,92 g de DCO/l/jour.
Les valeurs de DCa de la jacinthe d'eau non fermentée étaient
en moyenne de 30,72 g/l.
Nous avons noté qu'après 15 j ours de fer-
mentation,
elles avaient
baissé à 13 9'/1
et s'étaient stabilisées
ensui te (figure 25)
La
figure
26 montre
l'évolution de
la concentration
des AGV
en
fonction
du
temps.
Nous
constatons
que
les
concentrations en
acides gras
volatils dans
les deux cas sont restées presque cons-
tantes. De même, les valeurs de pH se sont stabilisées à 7,2 - 7,3.
2.2 - Etude des transformations de l'azote
et de l'évolution des composés azotés formés
en fonction du temps de rétention
Les résultats des analyses des composes azotés dans le surna-
geant sont donnés dans le tableau 14.
La
figure
27 montre
l'évolution
de
l'azote total en fonction
du
temps dans
la
phase stationnaire pour les deux temps de réten-
tion
utilisés.
La
concentration en
azote
total dans le surnageant
était
initialement de 0,010 M.
Nous
constatons
qu'elle a augmenté
au cours de la fermentation et est ensuite restée pratiquement cons-
tante à stabilité du système.
Nous notons que les concentrations moyennes au nIveau desquel-
les
était
stabl i lisé
le
système a
légèrement augmenté
lorsque
le
taux de charge est passé de 0,76à 1,92 g de DCO/I/jour.

---

- 79 -
La
figure
28
montre
l'évolution
de
la concentration en azote
ammoniacal en fonction du temps.
Nous constatons qu'il n'y a pas de
variations
de
la
concentration
en
ammomaque
en
fonction
de
la
charge.
DISCUSSIONS et CONCLUSIONS
Les
résul tats
obtenus
au
cours
de
cette
expérience montrent
que
l'augmentation
de
la
charge
n'a
pas
perturbé
la
stabi lité du
système.
Nous n'avons pas observé d'inhibition ou de blocage de la
production
de
gaz.
Les
débits
de
production
de
gaz
en alimentant
avec une charge de 1,92 g de DCO/l/digesteur/jour sont plus élevés
que ceux relevés avec une charge de 0,76 g de DCO/l/digesteur/jour.
Par
ailleurs,
nous
avons
noté
que
l'augmentation
de
charge
n'avait pas entraîné une libération
importante d'azote dans la pha-
se soluble.
Nous avons constaté en effet que les concentrations en
azote
ammoniaca l
pour
les
deux
temps
de
rétention
uti l isés
sont
sensiblement
les
memes.
La
concentration
en
composes
amInes
non
volatils n'a que très légèrement augmenté.
Pour l'expérience réalisée avec une charge de 1,04 g de DCO/l/
jour,
le
taux
d'azote
total
soluble se situe entre ceux des expé-
riences
menées
avec
des
charges
volumiques
de
0,76
et 1,92 g de
DCO/l/jour.
Ceci,
bien
que
la
concentration
initiale d'azote soit
beaucoup plus élevée.
Nous
remarquons
donc
que
la
concentration d'azote
en
regIme
stationnaire
s'est
révélée
indépendante
des concentrations d'azote
dans le substrat initial.
En conclusion,
il apparaît d'une manlere générale que le régi-
me de dégradation des composés azotés ne dépend pas sensiblement du
temps de rétention utilisé.

---

CHAP lTRE V
EFFET INHIBITEUR ET TOXICITE DE L'AMMONIAQUE
SUR LA FERMENTATION METHANIQUE
Les ions ammonIum libérés au cours de la fermentation méthani-
que des substrats riches en azote peuvent inhiber partiellement ou
totalement la production de gaz.
Ce
phénomène
a
été
étudié
par
différents
laboratoires
de
recherche.
Mais
les
résultats
obtenus
par
les uns et les autres
comme
nous
l'avons
montré
dans
la
partie
bibliographique,
sont
contradictoires
en particulier ceux relatifs au seuil à partir
duquel
apparaissent
les effets
inhibiteurs et de toxicité de ces
Ions.
Nous
avons
étudié,
dans
le cadre de ce travai l,
l'influence
des
ions
ammonium
sur
la
fermentation
méthanique
de
la
jacinthe
d'eau
ce
substrat
contient
une
quantité
d'azote
intermédiaire
entre
celle des
résidus d'origine animale et
les
jus résiduaires
classiques d'origine végétale. Notre travail a essentiellement por-
té
sur
l'étude
de
l'influence
d'ajouts
d'ions
ammonium
sur
la
production de gaz et de la composition en méthane et gaz carbonique.
De
la
jacinthe d'eau provenant de cultures réalisées à EDF a
été broyée, diluée et ensemencée à 5 % par un pied de cuve du même
substrat. Nous avons laissé évoluer la fermentation jusqu'à produc-
tion d'un biogaz contenant 53 % de méthane.
A partir
du substrat ainsi
obtenu,
nous avons constitué une
série d'échantillons qui ont été enrichis en ammonium par ajout de
quantités variables d'une solution de chlorure d'ammonium de norma-
lité 1 N. Chaque essai a été fait en double.
Suivant ce protocole, nous avons effectué deux senes d'expé-
nences
indépendantes correspondant a des témoins di fférents.
Les concentrations de NH + mIses en jeu allaient de 0,11 M à 0,22 M
4
pour la première expérience et de 0,2 à 0,8 M pour la deuxième.
(tableau 15).

---

- 61 -
T:3bleau 15
CONCENTRATIONS EN AMMONIUM UTILISEES
Témoins
Echantillon 1 Echantillon 2 Echantillon 3 Echantillon 4
CM)
CM)
CM)
(1"1)
CM)
Q)
0,022
0,11
0,16
0,22
-
....L.
,Q)
1
11l
i
Q)
,....
Q)
....L
0,025
0,20
0,40
0,60
0,80
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Q)
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---

FIGURE 29: PRODUCTION COMPAREE DE GAZ SELON LA
CONCENTRATION D'AMMONIUM AJOUTE
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15
20
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F'rernière ::;érie d'essôi::;

---

1
- c34 -
1
1
FIGURE 31: PRODUCTION COMPAREE DE GAl
APRES 23 JOURS DE FERMENTATION
1
série d'éssais 1
1
0.022
D,Il
0.16
0,22
Concentration d'ammonium (M)
•
FIGURE 32: PRODUCTION COMPAREE DE GAZ
APRES 23 JOURS DE FERMENTATION
série d'éssals 2
5
4
L/L
3
2
o
0,8
0.2
0,4
0,6
0.025
Concentration d'ammonium (M)

---

- 85 -
Cette dernière gamme de concentration correspond à l'ordre de
grandeur de celles produites au cours de la fermentation
méthani-
que de substrats tels que les fientes de volaille et les lisiers de
porc.
1 - Influence des ions ammonium
à différentes concentrations sur la production de gaz
Les figures 29 et 30 donnent respectivement les courbes de pro-
duction
de
gaz
en fonction du temps pour
les échantillons de la
première et de la seconde séries d'expériences. Les variations de
production totale de gaz en fonction de la concentration en ammo-
nIum sont illustrées sur les figures 31 et 32.
L'observation de ces figures nous permet de classer les résul-
tats
obtenus
en
considérant
trois
domaines
de
concentration
en
ammOnlum
les concentrations inférieures à 0,11 M,
supérieures à
0,4 M et, enfin, celles comprises entre 0,15 et 0,4 M.
Nous
examinerons successivement les effets des
ions ammonlUm
sur
la production de gaz,
l' appari tion de la phase de latence, le
débit instantané et sur la composition du biogaz.
Nos expériences étant effectuées dans de petits réacteurs de
100 ml, et non munis de dispositif de prélèvement d'effluents, nous
n'avons pas été en mesure d'étudier l'évolution des autres paramè-
tres
de
sui vi
d'une
fermentation
méthanique
tels
que les acides
gras volatils et la Demande Chimique en Oxygène.
Notons d'abord que les boues méthanigènes de jacinthe d'eau à
partir
desquelles
nous
avons
constitué
les
échantillons
de
la
première et deuxième expériences présentaient initialement une peti-
te différence de concentration en ions ammonium.
Dans la première série, la boue méthanigène contenait 0,022 M
d'ions ammonium contre 0,025 M dans la deuxième.
Nous avons constaté que la quantité de gaz produit n'était pas
la même dans les deux cas après le même temps de fermentation. A 23
jours, période à l'issue de laquelle nous avons arrêté la première
expérience, la production de gaz était respectivement de 7,48 et 6
1/1 pour les témoins contenant 0,022 M et 0,025 M d'ions ammonium.

---

- db -
La
production de gaz des échanti lIons enrichis en ammonium à
0,11 M était, à la fin de l'expérience, en moyenne, de 7,391/1 de
digesteur.
Ceci
correspond
a
une
baisse,
non
significative,
de
1,3 % par
rapport
aux
échantillons
témoins
dont
la
production
moyenne était de 7,48 1/1 de digesteur. Ces résultats montrent donc
que
les
Ions
ammOnlum
a
des
concentrations
inférieures à 0,11 M
n'inhibent pas significativement la production de gaz.
A partir de 0,4 M en ammonIum, nous avons constaté un blocage
plus ou mOInS complet de la production de gaz. Pour des échantil-
lons contenant 0,4 M,
nous avons noté un blocage de production de
gaz
a
1,11/1
de
digesteur
jusqu'au
27e
Jour,
moment
à
partir
duquel s'est amorcée une reprise de dégagement gazeux.
Pour des échantillons enrichis à 0,6 et 0,8 M nous n'avons pas
observé de dégagement gazeux après 27
jours de fermentation alors
que pendant cette période la production moyenne de gaz des témoins
était de 7,48 1/1 de digesteur.
Nous avons toutefois
laissé ces échantillons évoluer et nous
avons observé un faible dégagement gazeux respectivement de 1,4 1/1
et 0,2 1/1 de digesteur au 34e jour pour les échantillons contenant
0,4 et 0,6 M d'ammonium.
La production de gaz était de 1,8 1/1 de
digesteur pour ceux enrichis à 0,8 M après 92
jours de fermenta-
tion.
Il apparaît donc que les Ions ammonium, à des concentrations
superIeures à 0,4 M affectent
de façon considérable
la production
de gaz dans la fermentation méthanique.
Nous
avons
constaté,
a
des
concentrations
en
Ions
ammOnlum
comprIses entre 0,15 et 0,4 M une baisse
de production de
gaz en comparaison avec
les échanti lIons témoins. Cette baisse de
production de gaz est fonction de la concentration en ions ammonium
dans le milieu. La production de gaz était, au 23e jour, respective-
ment de 4,99 1/1 de digesteur et de 4,03 1/1 de digesteur pour les
échantillons enrichis à 0,16 et 0,22 M.
Par rapport aux échantil-
lons
témoins,
cette
baisse
de
production
de
gaz
représente 33 %
dans le premier cas et 46 % dans le second.

---

- 87 -
Tableau 16
DEBITS DE PRODUCTION DE GAZ
EN FONCTION DE LA CONCENTRATION EN AMMONIUM
Concentrations
Durée
Débit
initial
Débit
en ammonIum CM)
de la
(l/l/jour)
à 23 ] .
phase initiale
C1/1/j)
0,022 témoin
3 a 4
0,60
0,22
0,11
3 à 4
0,33
0,26
0,16
3 à 4
0,40
0,19
0,22
-
-
-

---

- 88 -
Nous constatons donc que la production de gaz dans cette gamme
de concentrations en ions ammonium n'est pas bloquée mais est par-
tiellement inhibée.
Nous avons
relevé que,
selon
les concentrations en ammonlum,
la poursuite du dégagement gazeux était affectée avec ou sans phase
de latence.
D'une manière générale, à des concentrations en ammonIum infé-
rIeures à 0,20 M,
la production de gaz se poursuit à partir du mo-
ment de l'ajout, sans phase de latence. Par contre, à des concentra-
tions supérieures à celle-ci,
il apparaît une phase de latence dont
la durée est plus ou mOIns longue selon les concentrations en Ions
ammonIum dans le milieu.
Pour des échantillons enrichis à 0,22 M nous avons observé une
phase de latence de 8 jours. Mais, cela n'a pas été le cas pour les
échantillons enrichis à 0,20 M. A cette concentration, nous n'avons
en effet pas observé de phase de latence.
Il semble néanmoins que
0,2 M soit
un
seuil
critique
au
delà
duquel
l'apparition
de
la
phase de
latence tradui t un processus d'adaptation des populations
microbiennes à l'accroissement de la concentration de NH +
4
A 0,40 Md' ions ammonium,
nous avons observé une période de
latence
de
32
jours
et
d'environ 92
jours pour des échantillons
enrichis à 0,8 M.
Il apparaît donc que la fermentation méthanique des substrats
riches
en
azote
nécess i te
des
dé la is très
longs
pour assurer la
formation
de populations résistantes aux niveaux de concentration
atteints pour NH +.
4
2
- Etude du débit de production de gaz
après ajouts d'ammonium
L'analyse
des
courbes
de
production
de gaz en fonction du
temps (figures 29 et 30) montre
deux régimes de fermentation cor-
respondant à deux débits différents.
Nous avons, pour les échantil-
lons
de la première série,
pour lesquels
il n' y avai t
pas eu de
phase de latence,
évalué par lecture directe des courbes de produc-
tion de gaz la durée de la phase initiale et relevé les débits cor-
respondants (tableau 16).

---

- 89 -
FIGURE 33. COMPOSITION DU BIOGA2:
Pourcenlage de melhane
(Serie d'essais 1)
concentration
d ammonium
.". 0,22 M
1
- 0,022 ~1
1
!II- 0,11 M
~r
0,16 M
j
o
5
10
15
20
25
JOURS
Remarque le temps 0 indique la composition du substrat non enrichi
FIGURE 34: COMPOSITION DU BIOGAZ:
Pourcentage de méthane
(Série d'essais 2)
concentration
d ammonium
.- 0.025 M
(:'- 0.2 M
.- 0,4 M
0-
0,6 M
20
4- () R M
10
0 + - - - - - - + - - - - - - - - + - - - - - - 1 - - - - - - 1
o
10
20
30
40
JOURS
Remarque: le temps 0 indique la composition du substrat non enrichi

---

- 90 -
Il apparaît que
le débit
initial
(c'est à dire après reprIse
de
la
fermentation)
a diminué de
façon importante après augmenta-
tion de
la concentration en ammonium.
Le débit
initial a diminué
de 0,6 1/1 par jour à environ 0,33 et 0,40 l/l/jour pour les échan-
tillons
contenant
0,11
et
0,16 1'1.
La durée de la phase initiale a été la meme dans la gamme de
concentrations en ammonIum que nous avons utilisée.
Nous constatons en revanche que le débit au 23e jour est prati-
quement indépendant de la concentration en ammonIum à des concentra-
tions comprises entre 0,022 et 0,22 M.
La baisse des débits ini-
tiaux
après
enrichissement
du
mi lieu
en
ammonium
peut
signi fier
que certaines espèces méthanigènes présentes dans le digesteur sont
inhibées
tandis
que d'autres gardent leur activité.
A ce propos,
Koster et al (1984) affirment que les ions ammonium à des concentra-
tions supérieures à 0,1 M ont relativement plus d'effet inhibiteur
sur les acétoclastes que sur les hydrogénophiles.
- Influence des ions ammonIum sur la composition du gaz
Les boues méthanigènes à parti,.
desquelles nous avons consti-
tué nos échantillons produisaient,
au moment où nous avons arrêté
leur fermentation, un gaz dont le méthane était à 53 %.
Nous
avons
constaté des variations de la composition de gaz
produit selon les concentrations en ammonium des échantillons étu-
diés. Les figures 33 et 34 montrent respectivement les courbas de
pourcentages
de
méthane
dans
le
biogaz en fonction du temps par
les échantillons de la première et de la deuxième expérience
D'une manière générale, le pourcentage de méthane dans le bio-
gaz produi t est inférieur à 53 % en début de fermentation.
Il aug-
mente progressivement en fonction du temps. Cette baisse de la quan-
tité de méthane est plus ou moins importante selon la concentration
des ions ammonium des échantillons étudiés.
A des
concentrations
en ammonium
inférieures
à
0,4 M,
nous
avons constaté qu'après dix
j ours de fermentation, le biogaz pro-
dui t
redevient maj ori tai rement composé de méthane.
Le pourcentage
de méthane varie après cette période de 55 à 65 % selon les échan-
tillons.

---

- 91 -
Notons
cependant
que
les
pourcentages
de méthane à la fin de
l'expérience sont fort élevés pour un substrat tel que la jacinthe
d'eau. Ce phénomène peut s'expliquer par le fait que le gaz carboni-
que
est
mesuré
par défaut compte
tenu
de
sa
dissolution
dans
la
phase
soluble
dans
le
digesteur.
Les
expériences
étant menees
en
reglme discontinu,
ce
phénomène
est
donc
plus accentué.
Nous pou-
vons,
par ai lIeurs,
penser que les ions ammonium accentuent la dis-
solution
du
gaz
carbonique
dans
la
phase
soluble.
Ce
qui
aurait
pour conséquence en effet l'évaluation par excès de la quantité de
méthane dans le biogaz produit.

---

- 92 -
- Discussions et Conclusions
Les
résultats
auxquels
nous avons abouti
situent globalement
les
zones
de concentrations
en
ions
ammonium au niveau desquelles
commencent à se manifester l'inhibition et l'arrêt de la production
de gaz.
Le seuil critique au delà duquel nous avons observé une inhi-
bition significative de la production de gaz se situe à 0,1 M d'am-
monium.
En deçà de cette valeur,
il n'apparaît ni
phase de latence
nI
diminution
importante
de
la
production
de
gaz.
Ces
résultats
sont
en
accord
avec
ceux
obtenus
par Melbinger
et al.
(1971)
et
Velsen
(1979)
sur
d'autres substrats.
Ces auteurs
n'ont
pas
en
effet
observé une
inhibition de
la
production
de
gaz
au cours de
la
fermentation
méthanique
des
boues
résiduaires
et
des
fumiers
de porc à des concentrations en ammonium inférieures à 0,10 M.
De meme,
ils
n'ont
pas
observé
de
retard
dans
la
production
de gaz.
A parti r
de
concentrations
en
ammonium comprIses
entre
0,15
et
0,20 M,
nous avons
constaté
une inhibition de la production de
gaz. Velsen (1979) avait noté l'apparition de ce
phénomène à 0,13 M
(concentration
assez
proche
de
celle
au
niveau
de
laquelle nous
avons
observé
l'inhibition de
la
production
de
gaz).
Par
contre,
Melbinger et al (1971)
indiquent
n'avoir
pas observé ce phénomène
à
0,15 M.
Nous
pouvons
cependant
si tuer
ce
seui l,
compte
tenu de
nos
résultats
et
des
données
bibl iographiques
vers
0,1 à 0,2 M
d' ions
ammonium.
Nous
avons
en
effet
noté
une
diminution assez
nette de
la
production de
gaz
à des concentrations supérieures à
0,10 à 0,15 M.
La baisse de production était de 33 et 46 % respec-
vement
pour
des
concentrations
en ammonium de
0,16
et
0,22 M.
Velsen
(1979)
indique
une
diminution
de
la
production de
gaz
de
30
et
46 % pour
des
échantillons
de
boues
résiduaires contenant
0,19 et 0,27 M d'ammonium.
Koster et al.
(1984) ont noté une baisse
de production de gaz de 45 % sur des résidus agroalimentaires.

---

- 93 -
Le
seui l
cri tique
est di ffici le à
déterminer
avec précision.
Nous ne pouvons que le situer dans un intervalle de concentrations
en ammonIum.
A des concentrations en ammonium comprIses entre 0,2 et 0,3 M
apparaît une période de latence.
Melbinger et al.
(1971),
Braun et
al.
(19d1)
et
Velsen
(1979)
rapportent
avoi r éga lement observé ce
phénomène.
Cependant,
les
temps
de
latence
que nous avons relevés
sont différents de ceux indiqués.
A 0,22 M,
une période de latence est apparue dans la première
série
d'expériences
mais
pas
dans
la
deuxième.
Cette période de
latence a augmenté
de
façon
importante
pour des concentrations en
ammonium
plus
élevées
8 jours pour 0,22 M ; 34 jours pour 0,4 M
et
92
jours
pour
0,8 M.
Velsen
(1979)
en étudiant la fermentation
de
lisiers de
porc
à des concentrations en ammonium supérieures à
0,2 Mn' a
pas
constaté de
période
de
latence.
Il
a,
pa r
contre,
observé
pour
des
boues
résiduaires,
une
augmentation
de temps de
latence de 10 à 40 j ours pour 0,13 et 0,30 Md' ammonium.
Braun et
al.
(1981) ont observé une pér iode de latence de 10 à 80 Jours pour
0,11 M et 0,20 Md' ammonium sur
la
fermentation méthanique de l i-
siers de porc.
Ces
périodes
de
latence,
comparées
aux
résultats
que
nous
avons obtenus après enrichissement des boues méthanigènes de jacin-
the
d' eau,
sont
très
longues.
De
plus,
ces
auteurs observent ce
phénomène à des concentrations en ammonium plus faibles.
Les
résultats
sur
l' appari tion
d'une
période
de
latence sont
donc contradictoires.
Des phénomènes non maîtrisés par nous même et
par les autres groupes de recherche semblent intervenir.
Melbinger et al.
(1971) ont émis l'hypothèse selon laquelle le
phénomène d' inhibi tion
de
la
fermentation
méthanique
par
les ions
ammonium
dépend
de
la
vitesse
avec
laquelle
ces
derniers
sont
libérés
dans
le milieu.
De toute
façon,
une
période
d'adaptation
des bactéries
en ammonium
à des concentrations élevées est néces-
saire.

---

- ~4 -
La
diminution
de
la
quanti té
de méthane que nous avons cons-
tatée après enrichissement du milieu en ammonium traduit une inhi-
bition des bactéries méthanigènes par ces derniers. Cette hypothèse
a
été
confirmée
par
J.Velsen
(1979).
Cet auteur a montré qu'à des
concentrations en ammonium supérieures à 0,1 M,
il
y a une accumu-
lation
des
acides
gras
vc1ati 1s.
L'acide
acétique
est
après
un
temps
de
latence rapidement dégradé tandis que l'acide propionique
et butyrique le sont très lentement.
L'activité
des
bactéries
acétogènes
et
méthanigènes
est
donc
inhibée.
Etant donné que nos réacteurs n'étaient pas munIS de disposi-
tif
de prélèvement d'effluents,
nous n'avons pas pu vérifier cette
hypothèse.
Mais,
comme le milieu s'enrichit en gaz carbonique, nous
pouvons penser qu'après ajout d'ammonium,
il y a accumulation d'aci-
des gras volatils.
On comprend de ce fait
les raIsons pour lesquelles les fientes
de
volaille dont l'acidogènèse produit des quantités élevées d'am-
monium présente beaucoup de difficultés à fermenter en méthane avec
une production importante de gaz.
En
conclusion,
il apparaît que des concentrations en ammOnIum
inférieures à
0,10 M ne perturbent pas
la fermentation méthanique.
A des concentrations supérieures se manifestent des phénomènes d'in-
hibition et de blocage de la production de gaz.
Néanmoins,
on peut
envisager
de
fermenter
des
substrats
riches
en azote en uti lisant
des
populations
bactériennes
bien
adaptées
en
ammOnIum.
Mais
la
production de gaz avec un bon rendement reste à étudier.

---

CONCLUSIONS GENERALES
Les
résul tats
que
nous
avons
obtenus
dans
cette étude font
apparaître
qu'au
cours
de
la
fermentation
méthanique
intervient
un ensemble de processus des
t'ansfor,na:;'ons de l'a:c:e en:,e ces
différentes formes chimiques. Il s'établit en particulier des échan-
ges entre biomasse insoluble et en solution aqueuse.
Dans l'ensemble,
intervient d'abord au cours de l'acidogenèse
une libération dans la phase soluble des composes azotés. Ces com-
posés sont tous porteurs d'une fonction basique azotée.
Il s'agit
donc d'ammoniaque, d'aminoacides et, éventuellement d'amines libres.
A la fin de l'acidogenèse, la concentration en ammomaque re-
présente environ 70 % des composés azotés solubles.
Dès le début de la méthanogenèse, la concentration en ammonIa-
que diminue et se stabi lise.
Cette diminution correspond au début
de la production exponentielle de gaz.
En
régime
stationnaire,
sous
alimentation
semi-continue,
la
concentration d'ammoniaque représente environ 55 à 60 % de l'ensem-
ble des composés azotés solubles,
le reste étant constitué d'amino-
acides et probablement d'amines libres.
Globalement,
26 % de
l'azote
contenu
dans
la
phase solide
d'Eichhornia crassipes
passent en solution.
Nous avons
montré
que
cette dégradation des composes azotés
ne dépend pas sensiblement du temps de rétention.
Pour des temps
de
rétention de 12, 26 et 40 jours, la fermentation aboutit à des
régimes stationnaires pratiquement identiques. Ceci quelle que soit
l'origine de la jacinthe d'eau.

---

-
j o
-
L'exploitation de la jacinthe d'eau a été, entre autres, envi-
sagée
soit directement soit après transformation pour
l'alimenta-
tion animale en raison de la richesse en protéines et de l'abondance
de ce végétal. Les résultats que nous avons obtenus faisant apparaî-
tre une dégradation des composés azotés au cours de la fermentation
'T)§~hal':c;ue, il n'appara~t pas souhaitable d'utiliser pour l'alimen-
tation animale les effluents de digestion, mais plutôt la jacinthe
d'eau non fermentée. Toutefois, ces effluents de digestion, compte
tenu
de
la
minéralisation
de
l'azote sous forme ammoniacale au
cours de la fermentation méthanique peuvent constituer un engrais
pour les sols, surtout tropicaux, pauvres entre autres en ammonium,
en raison d'un lessivage important.
L'étude de l'influence d'ajouts en Ions ammonIum sur la fermen-
tation méthanique de la jacinthe d'eau a permis d'une part de con-
firmer l'effet inhibiteur de ce soluté et de préciser les seuils au
nIveau desquels cet effet se manifeste.
Les
ions
ammonium,
à des concentrations
inférieures à 0,1 M
n'affectent
pas sensiblement la fermentation méthanique.
En fait,
ils lui sont même nécessaires en tant que source d'azote pour les
biosynthèses bactériennes. Par contre, à des concentrations compri-
ses entre 0,15 et 0,20 M, apparaît une inhibition de la production
de gaz. Cette inhibition se manifeste avec ou sans phase de latence
dans la production de gaz a des concentrations en ammonIum compri-
ses entre 0,20 et 0,30 M.
Après
ajout
d'ammonium,
la
reprIse
de
production
de gaz se
fait avec un débit
inférieur à ceux des échantillons non enrichis
en
ammonIum.
Pour
des
concentrations
en
ammonium
supérieures
à
0,40 M,
la
production de gaz est pratiquement stoppée dans cette
gamme de concentration.
L'enrichissement du milieu en ammOnlum entraîne également une
diminution
de
la
quantité
de
méthane dans
le biogaz produit.
Ce
dernier se ré-enrichit toutefois progressivement en méthane en fonc-
tion du temps.
Plus la concentration en ammonium est élevée, plus
longue est la reprise de production d'un gaz majoritairement compo-
sé de méthane. Les ions ammonium inhibent donc l'activité des bac-
téries acétogènes ou méthanigènes, les acidogènes ne le sont pas.

---

- 97 -
La phase de latence observée pendant l'inhibition traduit une pério-
de
d'adaptation
aux
Ions
ammonium
des
bactéries
dont
l'activité
est ralentie.
La durée de cette phase de latence atteint environ
90 j ours pour des échanti lIons enrichis en ammonium à des concen-
trations supérieures à 0,40 M.
Ces résul tats obtèiîL;S
d'eau permettent aussi de dégager quelques
informations en ce qui
concerne la digestion anaérobie des substrats riches en azote tels
que
les
fientes de volailles.
Des mesures globales de concentra-
tion en azote sur ce substrat (F.Lutin, communication personnelle)
montrent
que
celles-ci
augmentent
pendant
l'acidogenèse
jusqu'à
0,8 M et
que
la fermentation méthanique se bloque.
Ces résultats
confirment donc directement que les ions NH + n'inhibent pas
les
4
bactéries acidogènes mais plutôt les bactéries méthanigènes.
Nous avons mIS en évidence un enrichissement du biogaz en me-
thane après une période de latence d'environ 90 jours sur des échan-
tillons contenant des concentrations en ammonium supérieures à 0,4 M
Ce
phénomène
tradui t
une
adaptation des bactéries méthanigènes a
des concentrations élevées en ammonium.
Il n'apparaît donc pas ex-
clus que des substrats riches en azote tels que les fientes de vo-
lailles puissent être fermentés en utilisant des populations bacté-
rIennes bien acclimatées à des concentrations en ammonium élevées.
Par
ailleurs,
il
serait aussi
possible d'envisager,
dans le
cas des procédés opérant en séparation des phases acidogène et mé-
thanigène,
d'extraire l'ammonium du
jus de digestion par utilisa-
tion de membranes, expérience déjà réalisée à l'échelle laboratoire
par notre équipe.
En conclusion, il nous semble que la fermentation des substrats
tels que les fientes de volailles n'est pas impossible comme l'ont
affirmé
certains auteurs.
Mais,
le rendement de
la production de
gaz reste à étudier.

---

3 1 B LlO G R A PHI E
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1 A N N E X E 5
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DÉTERMINATION DE LA OEMAN~E
-..
CHIMIQUE EN
..
HOMOLOGUÉE
OXYG~NE (OCO)
T90-IOI
..
(Méthode par le dichromate de potassium)
co
Septembre 1971
co
~r-------_...L-_----------------_-L_-------J
..-
~
-
AVANT-PROPOS
La céterminatlon de ;0 cemcnde chim/(~lJe en oxygène (OCO) a (ait ('objet, en novembre 1969,
de le rlc.-me expérimentale T 90-10 l, de!.1xléme version d'un premier mode opératoire publié en
ln
mei 1968.
CC
Auc;;ne u!uCl.1e rondamencofe n'a eté (ormulée
~
c J'encontre de ;0 méthode décrite et la présente
~
ncr;ne re;;ren-: ::cne,' 5C:;S ''T1ccif:~CC:0''. le ,"'~ode coe~::calre de (a version 1969.
o
c:o
o
)0':1 1',~cervOi{e, Je nOfT1Qre;,;,( !aJorato.res ont etudIe !es conséquences de la présence de chlo-
N
rures dC"lS les ecux cnaiysees, mais aucune so/Lt'on satisfalsan:e n'a été proposée POL'" éiJ:niner
a'l
,...
l'rncer(é,re.-:ce de ces sels lorsqu',is sont er. ,:uar.:(e assez :mportcnte. Cest pourquoi le domaine
)(
d'applicatIOn ;;;e la mé:h2de c é,é {ImIté CLt eaux CO,,! la :eneur en chlorures, expwnee en Cl, esc
w
Q
I/'lfé.-Je~re è 3 g/l.
w
U
OBJET
La
Jrese:1tc
nor~e :1 J~~'" ·::t-jcr. \\;1 ::jescrIDt:cn C·I..Jr.e méthode de détermination par le
dlchrOrT1ate ce ;:Jotassi,,.;:'1 de la dem:?nde cr',mlq'ue en oxygène (DCO) des eaux.
CC
o
DOMAINE D'APPLICATION
Z
l-.
~
La méthode dècrite conduIt à des résultats vraiment satisfaisants dans le cas des eaux dOn[ la
z
demande chimique en oxygène, exprimée en milligrammes d'oxygène par litre. est supérieure à
8
50 et dont la tef1eur en ch:orures. exprimée en CI, est inférieure à 1,5 g/1.
.,Dans les autres cas, la méthode permet de déterminer une valeur approximative de la demande
<::
chimique en oxygène. Lorsque la teneur en chlorures est supérieure à 1,5 g/l, il convient d'opérer
~
selon les modalités décfltes dans l'annexe 2, toutefoIs le domaine d'application de la méthode
CC
o
est limité aux eaux dont la teneur en chlorures. exprimée en CI, est inférieure à 3 g/l.
Z
:Il
DÉFINITION
<::
•
. j
z
<::
La « demande chimique en oxygène» (OCO) est la quantité d'oxygène, exprimée en milli-
grammes, qui est conso;nmée par les matières, oxydables dans les conditions de l'essai, contenues
l-.
Z
dans 1 litre d'eau.
C
r:
::).
o
'~r-------r-----------------"""T--------l
'0
:ç; AFNOR 1977
.w
Homologuée
Dro.ts de reproductIon
par arrêté du 1971-08-30
et de traduction réservés
J.O. du 197~-09-02
pour tous pavs
.A. fnor 77582
NF T 90-101
3e TIRAGE
77-12
Testing water
Chemical oxygen demand (COO)

---

NF T 90-1 JI
PRINCIPE
Oxyd:ltion p:1r' '.J,') c'<cé', cc dlchrOITlJte dc ::lotasslc;m en ;llieu acide et à l'ébullition, des matières, oxy-
c.1bk, dans les conCIlions ce ['cssal, contenuES dJns l'02a!~, cr p r cse'1ce cie sulf:He d'argent (jouant un rôie
GC CltaIYSe,,:' cïox)'dJtlonl et dc s<.;!fatc di:' rn.::rcur" ("5('(;: co:npiexant d,:,s chlorures).
C"l~ (l' r ,'~ (P:'. ~] C' :~, d ~~ l' '2 X(e sec c: ich:'" -:) n~ ) ': ê ) : ..11 r: e :j' ~ ne ~ Ci l ~j : 1C n t 1: r ee d ~ os U J f:'j: è d ~ fer (Il) et d' amm 0 ni u m .
RÉACTIFS
Tous les réactifs devront être d'L;ne pureté analytique reconnl:e. Leur qualite sera veriflée en effectuant
CSS.1' 2. ::-:.1nc \\Ur 50 m: d''23.U (1). S' \\.1 ccnsorr.ma:io'- de so;ution de d'chromate de potassium 0,25 N (5)
J
Gu" "'uX r0 .... ct,fs est SUperlêL;re j :J.3 :nt.,: CO'1"e;",d r a ce rechercher :'or!glne de cette vaieur élevée et d'essayer
::', rCn~CCiC'. ;":ota;nmcn: en L;C1I/sart ces 'eactlfs c'une origine différentE.
,"cld~ sulfurique dans leque! est diSSOUS du sulfate d'argent
Jlssouore du sulfate d'argent en crlscaux, dans .:::c "ac'de sulfurique \\':::
1,84 g/ml) à raison de
6.6 g par litre
~
SOIL:tlon de sulfate de fer (Il) et d'ammOrliL:m, environ '0,25 N
Dissoudre qg g de sulfate dc fer (II' et c'ammonlUI-'- FeSO,.~H.:,SO,,:H,O:: dans de l'eau (1).
A:ou::er 2 C' ml d'aclde sulfL!r'~lje \\=:: = 1.3 4 o::m!) 02: cempléce; J. 1 litre avec de l'eau (1).
Déter~lner :!L! moins chaque Jour le titre exact de cette solution à l'aide de la solution de dichro-
mate (5 i (voir annexe
Il.
5 -- Soi'Jtlon de c;cf<romate de pc::asslur:~ 0.25 ,1\\/
Dlsscudre Gans Ge l'eau (1 l, !2.2588.;, ~esé, ,1 J.: ITlf: près, de d,chromate de potassium :K,Cr,O,)
~rèalablerrcnt séc:'e J '10 'C pendan':: Ge'~ ... r-e:.:rcs. O:lieer i : :)00 mi en fiole Jaugée.
6 -
Solution de ferrOlne
Utiliser une solution commerclal,sel" ou b,er d'ssoL!dre ',4dS g de 1·1 O-phénanthroline et 0,695 g
de sulfate de fer 'FeSO,. 7 H,O' dans dc
'e:,u (1) et completer le volume à 100 ml.
APPAREI LLAGE
Marér:ei COL;ran:: de laDoratolre ec rotamment
ballo"! de 500 ml. à col rodé, a fond plat et .i col court,
_
réfrigérant a 6-8 boules ou rèfrigerant equivalent, adaptable au balior..
Toute la verrerie utliisée devra avoir eté soigneusement lavée, par exemple avec une solution sulfo-
chromique, et abondamment rincee a "eau (1 J.
MODE OPÉRATOIRE
Prise d'essai
V =
50 ml.
les traitements préalables (filtration, décantation ... ) que l'échantillon pourrait avoir subi avant le prélè-
vement de la prise d'essai, devront être mentionnés dans le procès-verbal d'essai.
lorsque l'échantillon a une DCa supérieure à 800 mg d'oxygène par litre, procéder à une dilution avec
~
de l'eau (1) avant de prélever la prise d'essai.
~

---

-
3 -
NF T 90·101
Détermination
Introduire la prise d'essai dans le ballon
Ajouter' g de ;ulfate de mercure (2), pUIS 5 ml d'acide SJ/fu-
rique (3) et dissoudre, S'assurer qu'il ne subslst~ aucun préCipité de chlorure d'argent. dans le cas contraire,
chauffer légèrement lusqu'à dissolution
Ajouter 25 rr.l ~xactement mesurés de solution de dlchromate (5) puis 70 ml d'aLide sulfurique (3\\,
Introduire dans le ballon quelques billes de verre, adapter le réfrigérant au ballon (0) et faire bouillir
pendant deux
h~ures
NOTé
L':-,Iiure de l'ébuliitlor et J géométrie du réfrigérant devront ètre telles que la condensJtlon
des '<apeurs ait lieu dès la pHtle inférieure du réfrigérant.
LJlsse r r",;roICI-, ~tendre à 350 ml en'<iron avec de l'eau (1), ajouter quelques gouttes de sol"tlon de
ferrOlne (6; et réd,,.,,re ['excès de dlchromate 3 l'aide de 13 solution de sulfate de fer et d'ammonium (41
!a
coloratlo;, passe du vert au rouge Violacé,
Essai à blanc
E~ectuer, pour chaque série IOLir:laiière de dosage. un essai à blanc en remplaçant la prise d'e'sJi par
50 ml d'eau ( i)
EXPRESSION DES RÉSULTATS
Soient
'l,
le vollJme, en millilitres, de solution de sulfate de fer et d'ammonium utilisé pour la déterml:1Jtion,
VJ
le volL:'11e, en millilitres, de solution de sulfate de fer et d'ammonium utilisé pour ïess:!1 3 blanc.
T
le titre, exprimé en normalité, de ia solution de sulfate de fer et d'ammonl'Jm,
V
le volume, en millilitres. de !a prise é·ess~i.
La demande chimique en oxygène. exprimée en mlliigrammes d'oxygene par litre. est donnée par l'expres-
sion
8 000 (V J -
V,) T
V
Fidélité
Au cours d'une première série d'ess;lIS, 24 iaborJtOlres ont partic!pé à une analyse collective. conduite
sur une solution a 183 mg/l d'.;c:de benzo'que (DCO théorique correspondant 3 l'oxydation totale. 360),
La déterminacion de la DC-O a été effectuée, d'une pan sur la solution d'aCide benzolque telle quelle. d'aucre
part. sur cette même solL:tlon 3 laquelle avait éré ajouré du chlorure de sodium pour obtenir une concentration
en Cl de 1,5 g/l.
Au cours d'une deuxième série d'essais, 38 labor,1Cclres (et dans chacun L:n opérateur effectuant deux
déterminarions) ont participe 3 une seconde analyse collective, condUite sur une solution j 136 mg/! d'hydro-
gËnophtalare de potassium (DCO théorique correspondant à l'oxydation wrale
160),
L'exploir;Hiun des résulrars obtenus a fourni les indicarions suivantes
i
Écart-type
!
Écart-type
Nombre
t1 oyenne
de répéta-
de repro-
de résultats
bilité ri)
ductibilitè (Il
exploités
:,
ACIDE BENZOIQUE
i
1
,
1
en ,'absence de chlorures
1
',',
357.5 mg 0,/1 :
3,4
5,8
86
!
en présence de chiorures
: 363.7 mg °1/ll_4_,_6__--tI
7_,_3_ _..,.!
8_2_ _---l
r-
PHTALATE DE POTASSiUM.", ..
i' 59,4 mg O,/l
2,0
1
3,2
i
76
(1) Les termes· repetabliite • el. reproduwbdlle • sont defmls dans la norme NF X 07-001 .Instruments de mesurage -
Vocabulaire.
Les écart·types dc répét.bdité ct de reproductlb,"te ont ~U! calculés en su,v.nt les ,nd'catlons du fasCicule de document.tion
NF X 06-041 « F,délité d'une méthode d'es", -
GUIde pour les CS""
,nterl.bor.to,re, »
,.
(0) Les,loints rodés du relrigé,.nl el du ballon doivenl ëlre g,.issés avec une ou deu. goutles d'acide sulfurique, à l'exclusion de toute aUlre
graine,
- .,/

---

NF T 9O-IG'
- 4 -
PROCÈS-VERBAL D'ESSAI
Le proces-verJJi d '~~S,1: ~c,t, ou,r,' les r'esul,JCS, menclonner la méthode utilisée (référence à la présente
norme), couees :C's cand,tI0n., de ;'essal et ::JUS les detads opératoires non prévus dans la norme, ou facultatifs,
ainsi que ecus les Incidencs susce~tlbles (j'avo,r agi sur les résu!cJCs,
Il préclser.l en Outre Sr la prise d'cSSJI corres~ondalt à !'~chantilion tel quel ou SI celUI-ci avait subi un traite-
ment prCJiJble (dècJ,-'lt,1C;Gn, filtrJt·on. " et Glns ces de r:1rers ClS, les modalités du traitement,
4,NNEXE i
DÉTERMINATION DU TITRE EXACT DE LA SOLUTION DE SULFATE DE FER (II) ET D'AMMONIUM (4)
Diluer ,1250 ml e:O'.,ron JV'.'C de :'el\\.J !! i
23 r.;1. ex,)([en,e'l: mesures, de solution de d,chromate (5),
A.I,J u, e r 7 S ,n id'J ( 1C, e ,~I fur '1::< _ oC 1:" = l, S4. :::,:T. l' 'e (r:) 1d :' :U ~ cu' J 1ace m pé ra: ure am bjan tee t t 1cr e r à
!'JI d e Ce 1~ sc' ~ é1co r'! ,;:: '2 sui iJ [e' d:: : <: ~' c r~ ,J-;'-;~ C' n:U ;c', ; 4. i :' n ;> r ,~ S~ nce ,je q u~ :que s go u Cl es de solution de
ierr;):nc 161
CAS DES EAUX DONT LA TENEUR EN CHLORURES EST SUPÉRIEURE A 1,5 g 1 ET INFÉRIEURE A 3 g 1
Lorsque la teneur c'~ chlorures cs: SL:ac·;c,~r(' .1 :5 S,:, c?crer SU!Vart :e même mode opératOire. mais
augmerHer iJ CUJnC1ee de sulfate de mercure (2, :n:rOCu;,E', de MJnlere eue le rapport Hg SO';Cl soit de J'ordre
de 10
;: L1L:t n.:tc r q:...:c', .-,j,.sr,e ::e:t,:: J.~C:~IC""', J'J.;" _;1 ..,; ~·è~~c ~c,~c ....·r -.:or) l"'nJ~iereS oX~GJbies. :;ius IJ qLJJnt!té de
chiorures es: ;:"l'por-:.1n:c ;";l~) :l 'Je:...) :::=:''::i": _'2 '2:: .::~.:.. (:~

---

METHODE
KJELDAHL
PRINCIPE
a)
transformation
de
l'azote
protidique
en
azote
ammoniacal
par
minéralisation à chaud par l'acide sulfurique en présence de cata-
lyseur
(oxydation
de
la
matière
organique
avec
formation
de
HZO
et
de
COZ
et
réduction
de
l'acide
sulfurique
en
acide
sulfureux
avec
élimination
de
SOZ
(fumées
blanches).
Cela
correspond
à la
décoloration de la matière organique).
b)
alcanisation du milieu par une base fixe pour libérer l'ammoniac
qui est séparé par distillation et titré.
MATERIEL
- rampe de minéralisation
- rampe de distillation.
- matras de Kjeldahl de 500 ml, en pyrex
- béchers de 500'ml
- burette (au 1/Z0 ml) de ZO ml.
- éprouvettes de ZO ml et de ZOO ml.
REACTIFS
- acide sulfurique pur de ZOO) 1,83
catalyseur (mélange 90 % sulfate de potassium
10 % sulfate de cuivre)
lessive de soude d ZO) = 1,33
- solution titrée d'acide sulfurique 0,1 M
- solution d'acide borique et indicateur
acide borique 40 g dans 1 litre d'eau distillée bouillante
rouge de méthyle (0,1g/100ml d'alcool à 95°)
ajouter 5 ml d'indicateur pour 1 litre d'acide borique.

---

MODE OPERATOIRE
Prendre une pnse d'essai de 50 ml.
Ajouter enVIron
1 gramme de
catalyseur
(une
petite cuillère).
Avec
le catalyseur,
entraîner
le
produit qUI
est resté sur les pa-
rOIS
du
col
des matras.
Ajouter
enVIron
20 a 22 ml
d'acide sul fu-
nque pur.
minéralisation
Disposer les matras sur l'appareil de chauffage.
Chauffer d'abord
doucement
(chauffage position
3)
et,
lorsque
l'eau
est
évaporée,
augmenter
le chauffage
(position
5).
Retourner
le matras de façon à ramener dans le fond de ce dernier les parcel-
les
de
substances
qui
adhèrent aux
parois.
Lorsque
le
liquide est
devenu
limpide
(surveiller
l'apparition de
la couleur verte), main-
tenir l'ébullition pendant encore une heure.
Arrêter le chauffage et
laisser
refroidir
le
matras
à
l'abri
des
vapeurs ammoniacales.
La
minéralisation est terminée (le temps de minéralisation est fonction
de
l'intensité du
chauffage et de
la
nature de l'échantillon,
plus
long pour le bétail).
distillation
Quand
le
1iquide
dans
le
matras est
refroidi,
verser 150 ml
d'eau
distillée
environ
et
laisser
refroidir.
Pendant
ce
temps,
préparer le bécher avec l'acide borique + indicateur (50 ml)
Placer
le
bécher de telle sorte que
l' extrêmi té de
l'allonge
adaptée au
refrigérant
touche
pratiquement le fond du bécher conte-
nant
la
solution
d'acide
borique
et d'indicateur.
Verser 80 ml
de
lessive de soude dans
le matras et le raccorder à l'appareil a en-
traînement en vérifiant
l'étanchéité des
bouches.
Si
plus de
22 ml
d'acide sulfurique ont été introduits par la minéralisation, augmen-
ter la quantité de lessive de soude en conséquence.
Mettre
la
distillation
en
route.
L'entraînement
d'ammoniaque
commence
peu
après.
L' indicateur
vi re
au
jaune dès
que
l'ammoniac
distille.
Une fois
la distillation terminée,
il
faut
tout de suite
séparer l'allonge de l'appareil à entraînement. Bien rincer l'allon-
ge avec
l'eau distillée (la température au cours de la distillation
ne doit pas dépasser 40 - 45° C dans la hotte).
Lors
de
cette opération,
une fausse manoeuvre
peut
provoquer
une absorbtion de
liquide
il
est nécessaire de rincer l'appareil
en distillant de l'eau.

---

Titrage
Au
cours
de
la disti llation,
l'ammoniac est fixé par la solu-
tion
aqueuse
d'acide
borique.
La
couleur
rouge
de
méthyle
VI re
au
Jaune.
EXPRESSION DES RESULTATS
Soit n = ml d'acide 0,1 N verse au titrage,
ni = ml d'acide 0,1 N pour neutraliser l'essai a blanc,
p = la pnse d'essai
La
teneur
en azote,
en grammes pour 100 grammes d' échanti lIon
est
(n - n') 0,0014 x 100 (pour 100 grammes du produit tel quel)
p

---

NF
NORME FRANçAise
ESSAIS DES EAUX
T 90-015
HOMOLOGUEE
DOSAGE DE L'AZOTE AMMONIACAL
........
Août 1975
..
AVANT-PROPOS
,é",s '~r1ncpr'nt/(){), pn "z:)ée ammon/3c'!l (JAns les eAUX sont très variables: il en est de mème
des besoins et des possibilites des laboratOires qUi effectuent les analyses correspondantes. En outre,
la nature et la concentration des éléments contenus dans l'eau et qui sont susceptibles de perturber le
w
dosage, sont également très diverses. Ce dosage est donc justiciable de techniques différentes: trois
(Il
z
d'entre el/es sont décrites ci-après:
w
~
'W
Q
,.". PARTIE:
:3
MÉTHODE PAR ACIDIMÉTRIE APRÈS DISTILLATION
(Il
a::
Cl:
Cl.
1. OBJET ET DOMAINE D'APPLICATION
o
La présente partie a pour objet la description d'une méthode de dosage de l'azote
CO
o
ammoniacal dans les eaux. par acidimétrie après distillation. Elle est applicable aux teneurs
N
Cl
en azote ammoniacal, exprimées en NH~, supérieures à 4 mg/l (avec une prise d'essai de 50 ml).
......
Elle est perturbée par la présence de composés acides ou basiques volatils, tels que les
X
amines, et par les produits hydrolysables en ammoniac (urée, etc.).
u.J
o
u.J
U
2. PRINCIPE
w
Cl.
Entraînement à la vapeur en milieu alcalin de l'ammoniaque libre ou salifiée. Dosage
o
a::
acidimétrique de l'ammoniaque recueillie.
~
w
..
:s
3.
RÉACTIFS
o
~,
Au cours de l'analyse n'utiliser que de l'eau récemment déminéralisée sur résine catio-
i'
o
nique forte ou de l'eau de pureté équivalente dont la teneur en azote ammoniacal est négligeable.
z~
3.1
Carbonate de sodium, solution à 100 g/I.
Cl:
z
3.2
Acide borique, solution à lOg/l,
Q
~
3.3
Acide sulfurique, solution titrée 0.1 N ou 0,02 N,
~
<Il
~
3.4
Indicateur de Tashiro (rouge de méthyle + bleu de méthylène). Voir NF T 01-011 "Indi-
~
::2
cateurs de pH - Liste des solutions préférentielles".
a::
o
z
4. APPAREILLAGE
u.J
o
u.J
Matériel courant de laboratoire.
<Il
~
Appareil de distillation en courant de vapeur (type Parnas et Wagner par exemple).
L>
Z
" est conseillé d'équiper la base du réfrigérant d'une coupelle en verre destinée à éviter que
~
a:
d'éventuelles condensations coulent dans la fiole où est recueilli le distillat.
~
z
Lorsque l'appareil est exposé à l'atmosphère du laboratoire, ses parois peuvent absorber
Q
des traces d'azote ammoniacal qui ne s'éliminent pas par rinçage à l'eau. Il est indispensable,
~
pour le dosage des faibles teneurs, de nettoyer l'appareil en effectuant avant chaque série
Li
o
de mesures une ou deux distillations" à blanc" d'une solution d'hydroxyde de sodium. Entre
<Il
<Il
les essais, maintenir l'appareil à l'abri de l'atmosphère du laboratoire.
Cl:
Homologuée
Cette norme remplace la norme de même indice
© AFNOR 1975
Droits de reproduction
par arrêté du 75-07-30
homologuée le 30 novembre 1956
et de traduction réservés
J.O. du 75-08-13
pour tous pays.
)
J. BRARD - 60110 Méru
NF T 90-015
1"' TIRAGE
75-09
Testing water - Determination of nitrogen (ammonia)
Wasseruntersuchung - Bestimmung des Ammoniakstickstoffes

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NF T 90-('~'
5
ECHANTILLON
... -;0)
'~;.~·'Jr·:r,,' ..I(:S ,.. t.~:.;;r:;· 3t: :a:v'i"J!(,\\j··':.·, l~f.1""0h·:)t: ...j(}'\\"~fi~
Jus~'~ôr quc- ;J,jsslble après le~r
~.rt::~"J:~r~·:O::I·;: l.!~~t: · ...:r(:J'l~ ..'~ ::: ;Jl'I":J tefr.~~A(.~Hl..lrt: ·:'Jl~"'è Cè 5 'c L'an3i'yise dG;t être Rffectu~e allS$I~rjt
6.
MODE OPÉRATOIRE
6.1
PRISE O'ESSAI
6.2
DOSAGE
ill!fodLire ia prise d'essai \\6.1/ dans le ballon de l'appareil a distillation. Ajouter 20 ml de la
SC"U!lon ce carbonate de sodium (3.1) et, si nécessaire un agent antimoussant Admettre ia vapeur
duront au moins 20 min en recueillant le distillat dans 5 ml de solution d'acide bonque i3:L) addition-
nés de quelques gouttes d'indicateur (3.41 et d'une quantité suffisante d'eau pour ?ssurer un barbotage,
Vérifier l'absence d'ammoniaque dans les dernières fractions de distillat.
Titrer avec l'acide sulfurique (3.3i en utiiisant :
-
une solution titree 0,1
~ si la prise d'essai contient entre 2 et 20 mg d'azote ammoniacal,
exprimé en \\H~,
une solution titrée 0,02 ~ si la prise d'essai contient entre 0,2 et 2 mg d'azote ammoniacal,
exprimé en \\H~.
6.3
ESSAI À BLANC
Effectuer, un essai à blanc dans les mêmes conditions que le dosage.
7. EXPRESSION DES RÉSULTATS
Soient:
VI le volume en millilitres de solution d'acide sulfurique utilisé pour.le dosage,
V: le volume en millilitres de so.lution d'acide sulfurique utilisé pour l'essai en blanc,
T la normalité de la solution titrée d'acide sulfurique .utilisée (0,1 ~ ou 0,02 N),
V le volume, en millilitres, de la prise d'essai.
2
La teneur en azote ammoniacal, exprimée en milligrammes de NH
par litre est donnée par
4
l'expression;
(VI - Vol T·
1 000·; 18
V

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