Cet article présente quelques techniques et recommandations pour une caractérisation adéquate des déchets et de la matière organique dans le but de réaliser un projet de méthanisation. Nous verrons en particulier quelles sont les mesures qu'il est nécessaire de réaliser afin d'estimer le devenir de la matière dans un réacteur de digestion. Cette méthodologie sera illustrée au travers d'exemples (Ordures ménagères résiduelles - OMR, déchets agricoles).
Quand on travaille sur les déchets et que l’on veut connaître leurs compositions, de nombreux problèmes se posent : celui de l’échantillonnage, de la préparation de l’échantillon, et même parfois, de la méthode à utiliser pour accéder à l’information. Bien évidemment la plupart du temps on ne peut avoir qu’une approche globale de leur composition, et il faut s’en contenter. Si certaines méthodes ont un protocole bien défini, d’autres, comme la mesure du potentiel méthane, dépendent souvent du laboratoire qui le réalise, quand on n’utilise pas directement la formule de Keymer. Mais dans ce domaine, on peut espérer qu’un consensus (du moins sur les moyens à mettre en œuvre) se réalisera rapidement. Il n’empêche que les caractéristiques de l’inoculum resteront un élément perturbateur dans la comparaison des résultats et la variabilité des déchets dans le temps peut conduire à des surprises (dans les deux sens) sur la production de méthane.
La connaissance des intrants est souvent une étape critique lors de la mise en place d’un projet de méthanisation ainsi que lors de la phase d’exploitation. Cette connaissance est aujourd’hui nécessaire dans la plupart des projets mettant en œuvre des déchets :
- Pour la méthanisation d’ordures ménagères ou de biodéchets ;
- Pour la méthanisation de déchets organiques d’origine diverse (méthanisation territoriale, méthanisation à la ferme).
Cet article a pour objectif de donner quelques éléments et recommandations simples pour apprendre à mieux connaître l’origine des déchets, leur aptitude à la méthanisation, et leur capacité à se dégrader.
Composition des déchets
Les principaux critères de caractérisation
Le premier critère de caractérisation est bien entendu le flux de matière. Il est généralement donné en tonnes par an, ce qui ne présume pas de la variabilité sur la saison.
Mots clés : déchets organiques, méthanisation, composition, biodégradabilité, bilan
Il est intéressant de pouvoir affiner cette donnée par une production saisonnière ou hebdomadaire. Le gros problème dans la donnée concernant le flux de matière est qu'il est donné en matière humide. Or, l'humidité est un paramètre très variable, même pour un déchet réputé connu : le mode de production, le mode de stockage ou le mode de collecte peuvent être à l'origine de nombreux écarts sur ce paramètre. C'est pourquoi d'autres données de flux sont souvent utilisées.
La seconde information importante est le taux de matière sèche (MS). Il s'agit d'une mesure simple, qui consiste à éliminer l'eau de l’échantillon souhaité dans une étuve à 105 °C pendant 48 à 72 heures, jusqu'à ce que sa masse ne varie plus. Cette mesure peut être utilisée pour estimer un flux en matière sèche (en veillant à assurer la représentativité de la mesure par rapport aux données de flux). En complément, il est souvent utile de mesurer le taux de matière volatile (MV). Il s'agit de placer l’échantillon sec dans un four de calcination à 550 °C pendant quelques heures. La perte de masse lors de cette opération correspond aux matières volatiles. C'est une mesure qui s’apparente à la teneur en matière organique d’un échantillon.
De tels écarts peuvent conduire à d'énormes erreurs d’estimation du potentiel de production de méthane : en effet, c’est la quantité de matière sèche qui détermine la productivité en méthane, et pas la teneur en eau ; c’est pourquoi nous recommandons une caractérisation fine du flux de matière, et en particulier des matières sèches.
Pour des déchets à l’état liquide (type boues, effluents, lactosérum), il est très courant de caractériser leur flux en termes de demande chimique en oxygène (DCO). Il s’agit de la quantité d’oxygène nécessaire pour oxyder complètement ce composé. Il est important de savoir qu'il est possible de doser la DCO d'un effluent liquide homogène selon des méthodes éprouvées et normalisées (NF T 90-101). En revanche, la mesure de la DCO pour des déchets ou des composés particulaires est encore problématique.
Pour les composés simples tels que les glucides, les protéines ou les lipides, il est possible d’obtenir une équivalence entre la quantité de matière volatile et la DCO. Plus généralement, cela est possible pour tout composé organique dont on connaît la formule brute (voir ci-dessous).
Nous voyons que la matière organique n’a pas la même teneur en DCO selon ses caractéristiques. Nous verrons dans la suite que la teneur en DCO d'un composé organique est reliée à la quantité de méthane qu’il peut fournir lors de sa dégradation.
Potentiel méthanogène (BMP)
Le potentiel méthanogène (Biochemical Methane Potential, BMP en anglais) est défini comme la quantité maximale de méthane qu'il est possible de produire lors de la dégradation d'un composé. Cette quantité est généralement exprimée en volume (dans les conditions normales de température et de pression, 0 °C, 1 atm) pour une masse de matière donnée (matière brute, matière sèche ou matière volatile).
La mesure du potentiel méthanogène s’effectue en mettant en contact la matière organique considérée avec un inoculum méthanogène actif dans des conditions de fonctionnement optimisées de manière à « exprimer » le maximum de méthane possible. Les protocoles normalisés étant peu fiables, un groupe de travail a proposé un certain nombre de bonnes pratiques pour réaliser un test correct (voir Angelidaki et collaborateurs, 2009). Sa mise en œuvre suppose de travailler avec un inoculum actif, d’assurer une parfaite anaérobiose, d’être capable de mesurer le biogaz produit avec précision à la fois quantitativement (volume) et qualitativement (composition en méthane).
Quelques exemples de résultats de mesures de potentiels méthanogènes sont donnés.
sur le tableau ci-dessous. Pour chaque « type » de déchet, la teneur en matière sèche et en matière volatile est fournie, et le potentiel méthanogène est exprimé soit par rapport à la matière volatile, soit par rapport à la matière sèche, soit par rapport au composé brut (masse totale). La dernière colonne illustre que pour une même masse de déchets, le pouvoir méthanogène est fortement variable, principalement en raison de la quantité d’eau qu'ils contiennent.
azote total (NTK) supérieures à 3000 mgN/L, parfois même au-delà.
Il est donc important de surveiller que les déchets utilisés ne contiennent pas d’azote en excès par rapport à ces valeurs. Cela est d'autant plus problématique que dans certains cas, les jus de pressage des digestats sont réintroduits en tête du réacteur de méthanisation pour en ajuster la teneur en eau. Cette pratique doit être conduite avec prudence, car l’ensemble de l’azote ammoniacal se retrouve dans cette phase liquide.
Tableau 1 : Exemples de potentiels méthanogènes exprimés dans différentes unités.
| Potentiel méthanogène | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| MS (%) | MV (gMS) | NLCH₄/gMV | NLCH₄/gMS | NLCH₄/Kg (produit frais) | |
| Tontes de gazon | 30 | 85 | 350 | 298 | 89 |
| Paille de céréales | 85 | 90 | 200 | 180 | 153 |
| Lisier porcin | 7 | 5 | 260 | 195 | 14 |
| Déchets ménagers | 55 | 60 | 230 | 102 | 56 |
Composés majeurs : azote et soufre
L’azote et le soufre sont des composés systématiquement présents dans les déchets. Ils sont nécessaires pour le fonctionnement de la communauté microbienne de la digestion anaérobie, qui en a besoin pour assurer ses fonctions de croissance et de maintenance. Cependant, ces composés sont généralement en excès par rapport aux besoins. À titre d’exemple, pour 100 g de DCO dégradée, les besoins des bactéries pour leur croissance, sont de l’ordre de :
- - 5 g d’azote ammoniacal ;
- - 1 g de phosphore (sous forme de phosphate) ;
- - 0,2 g de soufre.
L’azote et son devenir en méthanisation
L’azote est présent dans l'ensemble des composés organiques, végétaux et animaux, très souvent sous la forme de fonctions amines. Lors des premières étapes de la méthanisation, l’hydrolyse et l’acidification des composés aminés conduit à la formation d’azote ammoniacal, qui se retrouve dans le milieu sous la forme d’ammoniac libre dissous (NH₃,aq) ou d’ions ammonium (NH₄⁺). L’accumulation d’azote ammoniacal dans les réacteurs est parfois responsable de l’inhibition de l'ensemble de la chaîne de méthanisation. Cette inhibition se produit pour des concentrations en
La conséquence peut être une accumulation non contrôlée de l’azote dans le milieu, et, à terme, une déstabilisation de la méthanisation.
Le soufre et son devenir en méthanisation
Le soufre est naturellement présent à faible dose dans les matières organiques ; il est également présent dans de nombreux produits que l'on retrouve dans les déchets, en particulier sous forme de sulfate SO₄²⁻. Lors de la méthanisation, les sulfates sont utilisés préférentiellement par de nombreuses espèces bactériennes à métabolisme fermentaire, ce qui conduit à une transformation microbienne appelée la sulfato-réduction. Il s’agit d’un métabolisme qui utilise les sulfates pour former des sulfures (HS⁻, H₂S). Le sulfure d’hydrogène H₂S est un composé corrosif et toxique qui se retrouve dans le biogaz.
Biodégradabilité
Estimation de la biodégradabilité
Il peut être très pratique de connaître la DCO d’un déchet ainsi que son pouvoir méthanogène pour en estimer la biodégradabilité. En effet, une même quantité de DCO dégradée produira systématiquement la même quantité de méthane, à savoir 350 litres par kg de DCO (voir ci-dessous).
Ainsi, si nous avons mesuré la DCO d’un déchet, nous pouvons calculer la production de méthane PM_déchet que l’on obtiendrait si tout le déchet était converti en méthane :
PM_déchet = 350 × DCO
Par ailleurs, si nous avons mesuré le potentiel méthanogène, c’est-à-dire la quantité réelle de méthane qu’il est possible d’obtenir à partir de ce même composé, nous obtenons la valeur PM_réel. Le rapport entre PM_réel et PM_déchet correspond à la biodégradabi-
BD du déchet :
BD = \(\frac{PM}{PM_{max} \times 350 \times DCO}\)
Ce calcul présente l'intérêt, d’une part de pouvoir connaître la quantité de méthane qu'il est possible de produire à partir d'une certaine quantité de déchets, mais également d’estimer la masse résiduelle de produit qui ne sera pas affecté par la méthanisation. C’est ce genre de démarche que nous illustrons dans la partie suivante de cet article.
Paramètres régissant la biodégradabilité
Il existe un certain nombre de composés difficilement biodégradables lors d’un cycle court comme celui de la méthanisation. Il s'agit en particulier :
- - Des composés inertes de type polymères plastiques ;
- - Des composés lignocellulosiques.
Les inertes sont par nature réfractaires à la biodégradation dans les réacteurs de méthanisation. Pour les composés lignocellulosiques, le problème est un peu plus complexe : en effet, la lignine établit une couche protectrice autour de la cellulose biodégradable et empêche ainsi son accessibilité aux enzymes. La cellulose pourra donc être dégradée lorsqu’elle est accessible, et ne sera pas forcément dégradée lorsqu’elle est très protégée.
Il existe des techniques pour estimer la biodégradabilité des résidus à partir des fractions lignocellulosiques, en particulier la lignine et la cellulose (voir par exemple Chandler et coll., 1980 ; Gunaseelan, 2007). Un exemple de cette relation est donné dans la Figure 1.
Établir un bilan matière rapide : étude de cas
Méthanisation d’ordures ménagères résiduelles, 100 000 t/an
Données d'entrée
Les caractéristiques des déchets entrant dans le réacteur (après les pré-traitements éventuels) sont celles qui figurent dans le tableau 1 (55 % MS, dont 60 % de matière volatile, BMP de 230 NL_CH₄/kg MV). La demande chimique en oxygène (DCO) du déchet a également été mesurée : 750 g de DCO par kg de MS (soit environ 1 250 g de DCO par kg de MV).
Calculs
Production de méthane : la production maximale de méthane est obtenue à partir du potentiel méthanogène. Pour une tonne de déchets, nous avons 550 kg de MS et 330 kg de MV, ce qui correspond à 75 900 NL. La production réelle pourra être estimée en considérant une efficacité de 80 % au niveau de l'installation, soit 6 millions de Nm³/an. Sachant que la composition du biogaz sera d’environ 50 % en méthane, la production totale de biogaz sera de l’ordre de 12 Nm³.
Biodégradabilité : compte tenu des données, la biodégradabilité sera de l’ordre de 52,6 %. Toujours en considérant une efficacité de 80 %, la quantité de matière volatile…
dégradée sera de 13 900 tonnes environ.
- - Digestat : le digestat contient l’ensemble des matières non dégradées, à savoir 86 100 tonnes. Ce chiffre n’intègre pas la quantité d’eau ajoutée au déchet entrant ; cette quantité varie selon le procédé considéré. Il serait plus exact de considérer le bilan sur les matières sèches : pour 100 000 tonnes de déchets entrant, nous avons 55 000 t de MS et 13 900 t de MV dégradée ; il reste donc 41 100 tonnes de matières sèches après traitement (voir Figure 2).
Méthanisation de déchets agricoles, 50 000 tonnes/an
Données d’entrée
Teneur en matières sèches (MS) : 20 %
Teneur en matières volatiles ( %MV/MS ) : 80 %
Potentiel méthanogène (NL/kg MV) : 350
DCO (g/g MV) : 1,2
Calculs
- - Production de méthane : la production maximale de méthane est obtenue à partir du potentiel méthanogène. Pour une tonne de déchets, nous avons 200 kg de MS et 160 kg de MV, ce qui correspond à 56 000 NLCH₄. La production réelle pourra être estimée en considérant une efficacité de 80 % au niveau de l’installation, soit 2,24 millions de Nm³/an. Sachant que la composition du biogaz sera d’environ 50 % en méthane, la production totale de biogaz sera de l’ordre de 4,5 M Nm³.
- - Biodégradabilité : compte tenu des données, la biodégradabilité sera de l’ordre de 83,3 %. Toujours en considérant une efficacité de 80 %, la quantité de matière volatile dégradée sera de 5 300 tonnes environ.
- - Digestat : le digestat contient l’ensemble des matières non dégradées, à savoir 44 700 tonnes. Ce chiffre n’intègre pas la quantité d’eau ajoutée au déchet entrant ; cette quantité varie selon le procédé considéré. Il serait plus exact de considérer le bilan sur les matières sèches : pour 50 000 tonnes de déchets entrant, nous avons 10 000 t de MS et 5 300 t de MV dégradée ; il reste donc 4 700 tonnes de matières sèches après traitement (voir figure 3).
Références bibliographiques :
- • Angelidaki, I. and Sanders, W. (2004) Assessment of the anaerobic biodegradability of macropollutants. Reviews in Environmental Science and Biotechnology 3, 117-129.
- • Angelidaki, I., Alves, M.M., Bolzonella, D., Borzacconi, L., Campos, J.L., Guwy, A.J., Kalyuzhnyi, S., Jenicek, P. and Van Lier, J.B. (2009) Defining the biomethane potential (BMP) of solid organic wastes and energy crops : a proposed protocol for batch assays. Water Science and Technology 59(5), 927-934.
- • Buffière, P., Loisel, D., Bernet, N. and Delgenes, J.P. (2006) Towards new indicators for the prediction of solid waste anaerobic digestion properties. Water Science and Technology 53(8), 233-241.
- • Buswell, A.M. and Mueller, H.F. (1952) Mechanism of methane fermentation. Industrial and Engineering Chemistry 44(3).
- • Chandler, J.A., Jewell, W.J., Gossett, J.M., Van Soest, P.J. and Robertson, J.B. (1980) Predicting methane fermentation biodegradability. Biotechnology and Bioengineering Symposium Series 10, 93-107.
- • Gunaseelan, V.N. (2007) Regression models of ultimate methane yields of fruit and vegetable solid wastes, sorghum and napiergrass on chemical composition. Bioresource Technology 98, 1270-1277.
