La méthanisation en continu des déchets à forte concentration : l'usine de la Buisse

La fermentation méthanique en réacteur continu a été jusqu’à présent réservée aux déchets liquides (boues d’épuration, effluents des industries agro-alimentaires) et a fait l’objet de nombreux travaux visant à améliorer les performances des réacteurs existants ainsi qu’à mettre au point de nouveaux types de matériels pour traiter des produits très variés (substrats graisseux, lies de distillerie). Cette technologie est actuellement bien maîtrisée (réacteurs à lits de boues, réacteurs à lits fixé up et down flow) et son optimisation aboutit à une réduction des volumes de cuverie nécessaires (temps de séjour variant de quelques heures à quelques jours) ainsi qu’à une augmentation des rendements volumiques de production gazeuse (m³/m³ jour). L’ensemble des transferts de matière est généralement réalisé par pompage et on peut appliquer à ces produits toute la gamme des techniques mises au point dans le domaine du traitement de l’eau (floculation, décantation, filtration, osmose inverse etc.) avec cette fois pour objectif l’épuration des effluents et leur valorisation énergétique.

Il faut noter ici que l’application de l’ensemble de ces techniques est généralement rendue possible par le fait que cette pollution est diluée, donc pompable, et que l’objectif général est de ramener celle-ci à une formule plus concentrée et stabilisée (les boues) dont la mise en décharge et la valorisation posent souvent des problèmes délicats. La nécessité de réduire les consommations d’eau (du fait du coût des traitements amont et aval) devrait amener progressivement une concentration de la pollution biodégradable à la source, en limitant au maximum sa dilution. On est ainsi amenés au problème du traitement et de la valorisation de déchets solides par la nécessité d’économiser le vecteur classique de la pollution, c’est-à-dire l’eau.

L’utilisation et la mise en œuvre de la méthanisation de déchets solides (fumier, ordures ménagères) s’est faite généralement en période ou en zone de pénurie par l’intermédiaire des réacteurs dits discontinus dans lesquels le chargement et la vidange de la cuve sont effectués en une fois avec un minimum de dilution. Cette méthode, qui a fait l’objet de nombreux perfectionnements, peut être considérée comme fiable mais nécessite plusieurs cuves pour assurer une production gazeuse sensiblement constante ; de plus, la production continue de certains déchets (déchets urbains), et l’augmentation des tonnages à traiter du fait de la concentration urbaine rendent cette technologie peu adaptée au traitement des déchets (notamment urbains).

Le passage à la fermentation méthanique en continu a été étudiée de façon approfondie aux États-Unis, à l’université de Berkeley (1966 à 1972) ainsi que plus récemment en France. Aux États-Unis ces études ont débouché sur la mise en place d’une unité industrielle à Pompano Beach (1978). Chacun de ces procédés fonctionne à faible concentration en matière sèche (5 à 10 %), nécessite une dilution importante (teneur initiale en matière sèche dans les déchets urbains : 50 à 70 %) et pose donc le problème du traitement aval des liqueurs résiduelles après méthanisation. Parallèlement à ces études, des recherches ont été réalisées sur la récupération de méthane dans les décharges et des premières réalisations ont vu le jour. Une modélisation du phénomène est proposée par l’université technique de Brunnschweig (RFA) prenant en compte notamment la composition des lixiviats de décharge. Il faut noter que dans ce dernier cas la méthanisation s’effectue en milieu relativement sec (35 à 45 % de MS) et sans ensemencement.

Parallèlement à ces travaux, notre société, en relation avec la société Caréne et en utilisant certains acquis du laboratoire de chimie appliquée de l’Université des sciences et technique du Languedoc (professeur A. Pavia) ainsi que l’expérience de M. Ducellier, a réussi la mise au point d’un procédé de méthanisation en continu des déchets urbains à forte concentration (35 à 40 % de MS). Ces études passant du stade du laboratoire (réacteurs de 20 litres), au stade du pilote (5 m³), ont permis la mise en place de la première unité de méthanisation des déchets urbains à forte concentration, mise en route en avril 84 sur le site de La Buisse (Isère). Cette première unité d’une capacité de traitement de 30 tonnes/jour est installée en utilisant l’infrastructure d’une unité de compostage gérée par le Syndicat Mixte d’Aménagement du Voironnais (figure 1). Nous la décrirons ci-dessous, en donnant les premiers résultats de l’exploitation de l’usine et, notamment, de l’utilisation du substrat fermenté dans le domaine agronomique.

L’UNITE DE TRAITEMENT DE LA BUISSE

Les différentes phases du traitement

La chaîne de traitement primaire

Sa finalité consiste à réaliser le broyage, le tri grossier des ferrailles, papiers, plastiques et le déverrage. La station de La Buisse comporte l’utilisation des matériels existants, ce qui explique la quantité importante de refus à ce stade (40 %); cependant, il sera possible de réduire par la suite le tonnage des refus au niveau de la chaîne primaire (et donc les pertes en matières organiques) car l’essentiel du tri sera réalisé après méthanisation dans une unité nouvelle. Il sera ainsi possible de ramener ces premiers refus aux alentours de 10 %. Les différents éléments de la chaîne primaire actuelle sont représentés sur la figure 2. La chaîne de tri, mise en place sur les prochaines unités, correspond à celle présentée sur la figure 3.

M. : vers méthanisation; C : vers compostage aérobie.

L’alimentation du digesteur

En sortie de chaîne primaire les déchets sont amenés au niveau d’une toupie malaxeuse où ils sont dilués aux alentours de 30 à 40 % de matière sèche et ensemencés avec les levains d’extraction. Ils sont ensuite introduits par pompage (pompe à béton type Putzmeister) dans la partie supérieure du puits d’entrée. L’unité de malaxage réalise de plus la mise en température des déchets (35 à 40 °C) puisque la dilution est opérée avec les jus de pressage recirculés après chauffage. Malaxage et alimentation sont effectués 5 jours sur 7, ce qui concerne actuellement uniquement les déchets ménagers.

Le digesteur

Un chauffage complémentaire des matières est réalisé dans le puits d’entrée équipé d’une double enveloppe, puis celles-ci sont introduites dans le réacteur proprement dit. Le temps de séjour est fixé à 15 jours et la fermentation se déroule en régime mésophile (35 à 40 °C). L’homogénéisation dans le réacteur est réalisée par secteur par recirculation du biogaz sous pression associée à un système de pulsations périodiques lié à la production gazeuse. L’écoulement dans le réacteur est de type piston. L’extraction des matières vers l’unité de pressage est assurée par la montée en pression du biogaz; les produits de digestion présentent une teneur en matière sèche de 25 à 30 % avant pressage.

Le pressage du digestat

Après digestion, les matières sont réceptionnées dans un conquêt de stockage dont la capacité est équivalente au volume d’extraction journalier. Les matières sont ensuite pressées; elles titrent alors de 60 à 70 % de matières sèches. Les jus de presse sont envoyés dans une cuve de réchauffage pour assurer la dilution des matières entrantes et leur mise en température.

La valorisation du biogaz

Le biogaz produit est envoyé dans un gazomètre souple d’une capacité de 400 m³; celui-ci sert de capacité tampon pour l’ensemble des éléments du process utilisant le biogaz. La production sera injectée dans une canalisation mise en place par Gaz de France pour l’alimentation des chaudières d’une plâtrerie située à trois kilomètres du site (connexion réalisée fin novembre 84).

Parallèlement à cette utilisation, une station d’épuration compression à 300 bars, qui devrait être mise en place dans les prochains mois, sera destinée dans un premier temps à l’alimentation d’un banc d’essais sur moteurs fixes (essence et diesel) en vue d’une opération de démonstration sur la faisabilité de l’utilisation du biogaz par une flotte captive (camions de ramassage des déchets urbains et véhicules municipaux).

La chaîne d’affinage

L’essentiel de la chaîne d’affinage est constitué d’un émotteur servant à la pulvérisation des déchets après pressage, et d’un trommel.

On récupère alors facilement un produit valorisable pour les agriculteurs (digestat affiné) et les refus, débarrassés de leur gangue de matière organique biodégradable, dont la pyrolyse ou l’incinération pourrait à terme produire une énergie calorifique utilisable directement sur le site pour limiter les autoconsommations de biogaz.

La conception initiale du projet

La logique du projet a été d’envisager la réalisation d’un site de traitement bénéficiant de deux filières, en parallèle, en sortie de la chaîne de tri primaire :

• une filière de compostage aérobie,
• une filière de méthanisation en continu.

En effet, l’unité a été initialement dimensionnée pour traiter approximativement 8 000 tonnes en compostage aérobie et 8 000 tonnes en fermentation anaérobie. La chaîne primaire de broyage-tri fonctionne déjà depuis plus de trois ans ; elle est gérée par le Syndicat Mixte d’Aménagement du Voironnais. Avant l’implantation, l’unité traitait en compostage lent la totalité des déchets. Le projet consistait donc à traiter, avant mise sur l’aire de compostage, 8 000 tonnes d’ordures ménagères, lesquelles, après broyage-tri, sont ramenées à 4 800 tonnes environ. La matière digérée, pressée, et le compost devaient passer ensuite dans la chaîne d’affinage afin d’assurer une production facilement commercialisable. L’addition de boues de station d’épuration a été également envisagée.

L’hypothèse de production de gaz était :

• en hypothèse basse : 1 400 m³ par jour en moyenne, soit un rapport de 3,5 m³ de gaz par m³ de cuverie utile (400 m³) et par jour,
• en hypothèse forte : 1 800 m³ par jour en moyenne, soit un rapport de 4,5 m³ de gaz par m³ de cuverie et par jour.

Le taux de matière sèche à l’introduction dans le digesteur était fixé à 30 % de matière sèche.

LA MISE EN ROUTE DE LA STATION DE MÉTHANISATION ET LES PREMIERS RÉSULTATS

Les prévisions

Compte tenu des expérimentations pré-industrielles, les prévisions étaient prudentes ; l’installation de La Buisse a donc été conçue avec un maximum de précautions. L’ensemble du système est largement perfectible, et l’optimisation du process du traitement débouchant des premiers mois de fonctionnement aboutira à la mise en place d’installations beaucoup plus compactes.

La mise en route

Celle-ci s’est effectuée selon les caractéristiques particulières de démarrage déterminées après plus de quatre années de recherche. Cette mise en route consiste à effectuer un démarrage rapide à forte concentration afin d’éviter la séparation des phases, notamment des parties lourdes, et le lessivage des bactéries, tout en évitant les effets inhibiteurs d’une acidification rapide du milieu liés aux fortes concentrations en matières organiques. Le process de démarrage permet d’atteindre un rapport volumique de production gazière de plus de deux en une semaine environ. Certains éléments concernant la nature des déchets propres à ce site nous ont amenés à modifier le protocole initial de chargement (plus forte teneur en MO et teneur en MS plus faible).

Les premiers résultats

Les aspects mécaniques

Le fonctionnement mécanique du digesteur a rapidement dépassé les prévisions les plus optimistes. L’effet de taille a été très favorable au transfert, au brassage et à l’homogénéisation de la matière ; l’introduction a pu s’effectuer rapidement (avec environ 40 % de matière sèche). L’optimisation du matériel mécanique périphérique aura duré plusieurs mois.

La production gazière

La figure 4 retrace l’évolution des rendements volumiques de production gazière parallèlement à l’accroissement des charges introduites durant une période de montée en charge.

Tableau 1 : Evolution des productions en période de mise en charge du réacteur

798 T 25 002 m³ RVM 3,78 m³/m³/j

(MO = matière volatile biodégradable et non)

(RV = rendement volumique de production gazière m³ de gaz/m³ utile jour).

Le tableau 1 précise cette évolution pendant la période de mise en route du réacteur. Alors que la mise à l'équilibre n’était pas encore atteinte, on pouvait en tirer les premières évaluations suivantes :

• 126 m³ de biogaz produit par tonne de déchets, ou 279 m³/tonne de matière sèche introduite, ou 419 m³/tonne de matière organique introduite ;
• rendement volumique moyen de 3,8 m³/m³/jour sur l'ensemble de la période, et de 4,8 m³/m³/jour sur la période de chargement à 20 tonnes/jour (correspondant à un rendement de gazéification de 50 % sur la matière volatile totale).

Sur la base de ces résultats, la production de gaz en charge élevée (de 10 à 13 jours de temps de séjour) devrait dépasser le rendement volumique moyen de 6 m³/m³/jour.

La discussion de ces premiers résultats sera faite ultérieurement de façon approfondie, une expertise de la station étant en cours en relation avec l'AFME et le département de microbiologie de l’Université de Lyon ; néanmoins ces chiffres sont déjà supérieurs aux prévisions.

Le digestat

La matière extraite du digesteur est pressée et affinée ; les jus de pressage sont recyclés. Une déshydratation ou évaporation importante s’effectue à divers stades du traitement (gaz saturé, pressage, égouttage…).

Trois facteurs favorisent à la fois la bonne séparation des éléments inertes de la matière organique et un taux de récupération élevé de matière organique :

• taux de matière sèche élevé après pressage et égouttage (65 à 70 % de MS) ;
• réduction granulométrique des particules organiques au cours de la fermentation méthanique (contrairement aux particules inertes qui gardent leur taille initiale).

Le papier et le carton sont destructurés dans la phase de fermentation pour participer en totalité au digestat produit.

Ces facteurs font que les inertes extraits sont relativement exempts de matière organique dégradable, ce qui favorise la mise en décharge. La présentation physique du produit est l’un des facteurs prépondérants de vente, le digestat produit à La Buisse pouvant être comparé physiquement à un compost très affiné. Les qualités agronomiques du digestat le font toutefois différer sensiblement d’un compost. Les résultats des essais effectués dans ce domaine, en collaboration avec l’École nationale supérieure d’Agronomie de Montpellier, sont particulièrement significatifs.

Utilisation agronomique du substrat fermenté

Le mélange de matières avec le sol, sous forme d’amendement humique, présente un triple intérêt, puisqu’on lui apporte ainsi :

• une source de matières organiques, permettant d’améliorer la vie microbienne du sol et les propriétés physiques en assurant, notamment, la formation d’agrégats stables ;
• un moyen d’apporter de l’azote organique sous forme rapidement assimilable ;
• un apport d’éléments majeurs et d’oligo-éléments.

La plupart des expérimentations réalisées dans le cadre de cette étude ont été menées avec incorporation des matières organiques peu de temps avant les

semis. On a donc suivi plus particulièrement les effets rapprochés de ces apports, c’est-à-dire leur valeur fertilisante.

En ce qui concerne la valeur humifère des digestats et leur action, les premiers résultats ont confirmé l'amélioration de la vie du sol (augmentation du dégagement de CO₂), et la formation d’agrégats stables.

Ces premières observations ont donc conforté les résultats obtenus par Monnier en 1965.

Les expérimentations de végétation en vase ont révélé une forte disponibilité de l'azote des digestats, due à une rapide nitrification de la matière organique, elle-même très divisée par la fermentation ; les dosages d’azote dans le sol ont confirmé cette évolution de l’azote apporté.

On a noté, lors d’essais comparatifs de différents digestats et de leur action au niveau de la matière sèche et de l’azote, l'influence de la texture du produit sur son efficacité, les différences entre digestats étant dues à des essais de conditionnement du produit après fermentation.

C’est sur une forme peu améliorée du digestat, mais bien désagrégée, dissociée, que les meilleurs résultats ont été obtenus. Cette supériorité des digestats secs, fourniture d’azote aux plantes et parallèlement de rendement en matière sèche, pourrait être aussi une résultante de leur effet sur la structure du sol. Lefévre (1968) souligne que les effets d'un apport de matières organiques (action sur la structure, rétention en eau, capacité d’échange, stimulation de la croissance) peuvent être à l’origine d'une influence indirecte sur l’utilisation même de l’azote.

Les essais de rendement sur terre pauvre en matières organiques, ont confirmé les résultats obtenus en vase de végétation :

• - augmentation des rendements par rapport aux témoins, sur tomate, fève, choux… Résultats proches de ceux obtenus sur fumier (+ 100 % à 200 % par rapport au témoin sur radis et salade),
• - valeur fertilisante équivalant à un fumier se traduisant par un enrichissement des sols amendés en éléments majeurs et certains oligo-éléments.

La rapide disponibilité des éléments apportés par les digestats d’ordures, liée à une bonne dissociation et à une bonne répartition dans le sol, entraîne l’épuisement rapide des sols amendés (observé sur ray-grass et radis). Or, le secteur du maraîchage nécessite des produits à effets rapides, employés à dose élevée, et apportés avant chaque production, sur des cultures intensives et souvent à cycle court (Anstett 1968).

Enfin, l'emploi du digestat sec n’a pas présenté de problèmes de toxicité vis-à-vis des plantes sensibles. Seul le produit frais ou non mature (mal séché par exemple) amène à se poser des questions de cet ordre.

Cette étude, concernant la valorisation agronomique des digestats d’ordures ménagères après méthanisation, confirme donc :

• — la possibilité d'utilisation de ces digestats au même titre que les composts déjà commercialisés en horticulture et dans le secteur du maraîchage,
• — l'intérêt de la méthanisation, tout d’abord pour la structure du produit et par la suite sur la valeur fertilisante, qui se résume ainsi : état phytosanitaire ; disponibilité de l’azote ; matières organiques facilement dégradables.

Aspects économiques

Nous reproduisons ci-après une analyse financière réalisée à la tonne traitée, pour une capacité de traitement de 25 000 t/an, dans un cas relativement pessimiste, sans prendre en compte dans ce calcul aucune subvention, afin de cerner le coût maximal (toutefois, ce bilan n’est vérifié qu’avec une bonne utilisation de l'énergie produite).

BilanCoût du traitement (à la tonne traitée) : 98,60

LES PERSPECTIVES

Après quatre mois de fonctionnement, la station de La Buisse confirme pleinement les hypothèses de départ en laissant à penser que ce procédé s’imposera à l'avenir dans le domaine du traitement des déchets urbains. D'ores et déjà, des stations de traitement par méthanisation sont à l’étude pour des tonnages beaucoup plus importants (de 10 000 t à 100 000 t/an). L'impact de cette technologie à l'étranger est évident ; aux États-Unis, deux projets de taille très importante sont en cours de négociations.

Néanmoins, les déchets ménagers ne sont pas les seuls substrats concernés par cette technologie : une unité de traitement de fumier de bovins est en construction à Liège (Belgique) et les études de laboratoire en cours montrent la possibilité de traiter par cette voie des déchets très variés, seuls ou en associations (ordures ménagères + fientes ou déchets de mégisseries ou lies de distilleries, etc.).