Méthanisation des effluents industriels : dépolluer en produisant de l'énergie

Nombreuses sont les activités industrielles générant des effluents liquides chargés en matières organiques, “naturelles” issues du vivant et du végétal (agro-alimentaire et activités connexes) ou synthétiques en sortie de procédés chimiques et pétroliers. La dégradation aérobie est efficace mais son coût énergétique est important. En fermentation anaérobie, l'effluent est soumis à l'action de bactéries en vase clos qui digèrent les matières organiques en biogaz (méthane et gaz carbonique, éventuellement des composés soufrés si l’effluent en contient). Cette deuxième voie offre plusieurs avantages : une production de boues très limitée (quatre à dix fois moins de boues qu'un procédé aérobie), une emprise au sol plus réduite car l’anaérobie est plus intensive (plus de DCO détruite par mètre cube de réacteur et par jour), une faible dépense énergétique, voire une production d’énergie si le biogaz est valorisé.

La diffusion des procédés de méthanisation est souvent fonction des contextes locaux en termes de contraintes de rejets, de coûts

d'élimination des boues et de conditions de rachat de l’énergie produite à partir de biogaz (cf. étude Marché de la méthanisation en France - hypothèses d'évolution à 5 et 10 ans ; AND International pour Gaz de France et Ademe).

Elle est aussi fonction de l'idée que les industriels s'en font. Le contexte actuel marqué par une prise en compte croissante du développement durable pousse vers la méthanisation du fait des économies d’énergie réalisées et de la compacité des installations. « Les clients sont plus intéressés aujourd'hui car ils sont sensibilisés au discours sur les énergies renouvelables. De plus, les jeunes ingénieurs ont reçu des enseignements sur ces techniques. Ce contexte général fait sauter des verrous, les a priori tendent à disparaître » indique François Morier, Directeur Général de Proserpol.

Si la méthanisation dans les fermes reste peu répandue en France contrairement à certains pays comme l’Allemagne, le Danemark ou les Pays-Bas, la méthanisation des effluents industriels semble prendre un certain essor ! On dénombre 130 unités sur une centaine de sites dont 70 % sont des installations industrielles (plus de 15 000 t/an) ; deux tiers concernent des effluents agroalimentaires, le reste étant réparti entre la papeterie et la chimie (cf. graphiques). Une reprise est perceptible depuis 2000 si l'on en croit l’étude de l'Agence de l'eau Adour-Garonne, réalisée en 2005 par Solagro ; la France serait même en tête des pays européens ! Les industriels se seraient-ils ralliés à cette technique de traitement par intérêt ? Toujours d'après l’étude Solagro, sur les plans technique et environnemental, la méthanisation est une solution mature. Sur le plan économique, elle suscite parfois des réserves lorsque l’économie est sujette à discussion.

Au plan quantitatif, l'anaérobie couvre facilement les besoins industriels : des unités susceptibles d’éliminer jusqu’à 500 t/jour de DCO peuvent être mises en service comme le prouvent les récentes commandes engrangées par Proserpol en Afrique du Sud. Le problème réside plutôt dans le domaine des petits besoins, inférieurs à 1 t/jour, mais là encore des solutions se mettent en place comme le démontre Naskeo, une jeune société qui se lance sur le créneau et qui vient d'inaugurer sa première unité chez NP Pharma en région parisienne (300 kg/j de DCO).

René Moletta de l'Inra (Esigec Chambéry) cite également l'installation réalisée par VOR Environnement pour la fromagerie de l’Abbaye de Tamié qui, avec son réacteur UASB de 37 m³, traite 290 kg/j de DCO avec un rendement global de 93 à 95 % générant 150 m³/j de biogaz qui produit de l’eau chaude pour le monastère. Tout comme la fromagerie d’Entremont-le-Vieux (Savoie) travaillant 8 000 L/jour de lait soit 400 kg/j de DCO traitée dans un digesteur de 40 m³. Deux exemples en montagne qui montrent les possibilités de la méthanisation, même sur de petites unités.

Bien étudier les critères de faisabilité

Le taux de dégradation de la matière organique, 80 à 90 % voire 95 % selon l’effluent, ne permet pas de rejeter l’effluent traité dans le milieu naturel, les teneurs en azote et phosphore n’ayant quasiment pas changé. Il sera donc toujours nécessaire de recourir à une étape aérobie de finition, soit sur place par le biais d'une deuxième installation, soit au niveau d’une station d’épuration collective, urbaine le plus souvent. Pour les municipalités qui rechignent de plus en plus à prendre en charge les effluents industriels, le méthaniseur peut répondre efficacement à un certain nombre de cas.

Mais avant de se lancer dans un traitement d’épuration par méthanisation, une étude sérieuse est nécessaire pour qualifier l’effluent en quantité, en qualité, en débit et en variations. Côté rentabilité, une installation aérobie est toujours une charge alors qu'un méthaniseur peut prétendre à une durée d'amortissement. Le surcoût d’investissement, souvent évoqué, se rattrape après quelques années : l'unité de NP Pharm (Naskeo) revendique un temps de retour sur investissement de 2,5 ans sans subvention.

Il existe malgré tout des critères qui doivent impérativement être respectés comme l’explique François Morier : « les matières doivent être biodégradables, la concentration en DCO importante 10 g/l et plus et au moins 2 g/l, en dessous cela n’a pas de sens ; il faut un flux conséquent (plus d’une tonne par jour) d’un effluent déjà chaud pour éviter de le réchauffer (l’idéal est à 37 °C) et une possibilité de valoriser facilement le biogaz, l’idéal étant sur place ». Dans certains cas, des conditions particulières ou locales peuvent malgré tout rendre admissible la faiblesse d’un paramètre. Un des gros avantages de l’anaérobie est sa capacité à accepter d'importantes charges, jusqu’à 100 g/l de DCO et de travailler avec des flux élevés jusqu’à théoriquement 50 kg/j de DCO par mètre cube de réacteur, très au-dessus d’un procédé aérobie. D’où la compacité des installations, un paramètre important pour les installations en zones urbaines (brasseries par exemple).

Autre paramètre important, la robustesse vis-à-vis des perturbations. « Comme dans tout procédé biologique, il est essentiel de ne pas introduire de substances toxiques au-delà des seuils limites acceptables pour les micro-organismes » explique Claude Delporte, expert procédés et traitements biologiques chez Ondeo Industrial Solutions, Groupe Suez. Un point de vue partagé par Philippe Mouroux, Directeur Technique Veolia Water STI : « En aérobie, vu la dilution, l’effet tampon est très important ce qui donne le temps de réagir. En anaérobie on ne peut pas dire que les bactéries soient plus sensibles aux toxiques. Par contre, il faut réagir beaucoup plus rapidement, en quelques heures, ce qui implique une instrumentation et des systèmes d'alerte plus élaborés ».

Dans bien des cas, un échec épuratoire en aérobie sera mis sur le compte d’une mauvaise exploitation alors qu’en anaérobie, c’est le procédé en lui-même qui est rapidement mis en cause.

A priori, tous les effluents agro-alimentaires peuvent faire l'objet d'un traitement anaérobie, bien qu'il soit nécessaire de prêter une attention particulière aux teneurs en graisses, en DCO non digérable et à la présence de sulfates et de sulfites. « Les bactéries sulfato-réductrices se développent dans les mêmes conditions que les bactéries méthanogènes. Le soufre est transformé en

René Moletta

Comment valoriser le biogaz ?

Le biogaz peut pratiquement être converti dans toutes formes d’énergie. L'offre industrielle et commerciale est désormais bien établie pour l'utilisation directe en four, pour la production de chaleur sous forme d'eau chaude ou de vapeur, pour la production d'air chaud pour le séchage, pour la production d'électricité par moteur à gaz, turbine à vapeur, turbine à gaz ou pour la production combinée d'électricité et de chaleur par cogénération.

En règle générale, les valorisations thermiques nécessitent des débouchés de proximité : il peut s'agir de consommateurs externes au site de production (industries, réseaux de chaleur...) ou d'usages internes. En stations d'épuration, une partie du biogaz produit est en général utilisée pour maintenir le digesteur à la température de fermentation (généralement 37 °C ou 55 °C). Cette consommation représente de 15 à 30 % de la production. L'énergie est aussi fréquemment utilisée pour déshydrater les boues.

Faute de débouchés de proximité, la valorisation du biogaz nécessite son exportation sur les réseaux de distribution électrique ou de gaz naturel. Les centres d'enfouissement de déchets s’orientent majoritairement vers la production d’électricité seule du fait de l'absence de débouchés thermiques locaux. Le biogaz issu d'effluents industriels est très souvent utilisé directement pour les besoins de l'établissement.

En dehors des quatre grands ensembliers, plusieurs entreprises telles Fairtec, BSDV, G.A.S. Environnement, Temois ou CSD Azur disposent des compétences nécessaires en matière de valorisation énergétique du biogaz et sont à même de concevoir et d’exploiter des unités de valorisation. Fairtec, Groupe Suez exploite par exemple une dizaine d’unités produisant un total de 25 MW. G.A.S. Environnement, en tant qu’opérateur, produit de l’électricité à partir de biogaz équivalent à la consommation annuelle d'une ville de plus de 20 000 habitants et ceci pour les 15 prochaines années.

Le sulfure d’hydrogène est un inhibiteur du processus méthanogène et un composé corrosif. Une partie reste en solution sous forme d’hydrogénosulfure à éliminer par oxydation en soufre élémentaire ou en sulfate. « En fait, l’important est de respecter un ratio avec une DCO cinq à sept fois plus importante que la teneur en soufre », précise Claude Delporte.

La papeterie, grosse productrice de déchets, offre des possibilités importantes de traitement anaérobie ; de grosses unités sont en exploitation (plusieurs milliers de mètres-cube par jour). D’autres effluents issus de la chimie et des activités pétrolières peuvent également relever de la méthanisation comme chez Toray Plastics Europe à Saint-Maurice-de-Beynost près de Lyon (effluent de fabrication de PET). Dans certains cas, l’effluent à dépolluer est plutôt pur comme sur l’unité de recyclage d’acide acétique de Sasol en Afrique du Sud dans les unités de conversion du charbon. « L’essentiel de la DCO est de l’acide acétique. Le procédé utilisé est à cultures fixées avec 40 000 m² de garnissage et une production de biogaz de 14 000 m³/h », explique François Morier.

Les variations de charges dues aux conditions d’exploitation ne constituent pas véritablement un problème ; la variation journalière et hebdomadaire (arrêt de fin de semaine) est absorbée par stockage tampon qui lisse les débits, homogénéise la charge et entame la première phase du procédé, l’acidification. Pour ce qui est de la saisonnalité, tous les spécialistes du domaine reconnaissent une grande résistance des bactéries anaérobies à la famine : même après une longue période d’inactivité, le processus repart très vite, en général en deux semaines.

Dernier argument souvent avancé pour reculer devant la méthanisation, la présence du gaz qui oblige à prendre des mesures de sécurité, renforcées aujourd’hui par la directive Atex. « Cela faisait partie des poncifs, comme la production d’hydrogène sulfuré. Aujourd’hui, les réponses existent », rétorque François Morier.

Quatre grandes classes de procédés

Les procédés anaérobies se répartissent en quatre grandes classes, pas vraiment concurrentes, qui répondent toutes à des besoins particuliers. Dans le réacteur infiniment mélangé, les matières et la biomasse méthanogène avancent ensemble dans le processus ; une solution utilisable si la teneur en MES à l’entrée est importante. La solution a fait ses preuves depuis de nombreuses années par exemple sur les boues de la station d’épuration d’Achères. Pour maintenir la biomasse active dans le réacteur, plusieurs solutions existent.

Dans le procédé dit « contact », les boues sont décantées et renvoyées en tête de traitement. On peut aussi faire en sorte que les bactéries se fixent sur un support, fixe ou en vrac, constitué de multiples objets de petite taille favorables à l’accrochage des bactéries et qui pourront circuler dans le réacteur. L’idée consiste à offrir le plus de surface efficace possible. Une variante très importante des lits à cultures fixées est l’UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) qui a révolutionné le secteur il y a 20 ans (environ 70 % des digesteurs dans le monde).

Lorsque les conditions sont favorables, les bactéries se rassemblent spontanément en granules de quelques millimètres de diamètre (pas de support). La densité apparente des granules permet une circulation ascendante de l'effluent à une vitesse de quelques mètres par heure. Dans la partie supérieure du digesteur, un séparateur triphasique trie le biogaz, l'effluent épuré alors que la biomasse redescend. Le flux hydraulique ascendant et le mouvement naturel de montée du gaz garantissent l'agitation sans apport d'énergie supplémentaire. La version EGSB, comme le propose Veolia Water STI, correspond au même genre de réacteur à boues granulaires mais des vitesses ascensionnelles plus importantes font que le lit de boues est expansé (d'où le E expanded).

À partir de ces quatre principes, il est possible de décliner des procédés variés qui ne constituent qu'une partie de l'installation de traitement des effluents. Le succès du traitement, sa performance épuratoire et sa performance économique dépendront de la cohérence globale de l'ensemble de l'installation. Selon la nature de l'effluent, un prétraitement pourra être nécessaire pour retirer des matières en suspension non digérables, des graisses, pour compenser un déficit en nutriments ou pour ajuster certains paramètres comme le pH. Il sera peut-être aussi nécessaire de refroidir ou de réchauffer l'effluent. La partie ingénierie est décisive, à la fois pour définir le procédé et le documenter (hypothèses retenues, calculs, dimensionnement).

Que faire du biogaz ?

« En France, le biogaz est souvent brûlé en torchère, pour plusieurs raisons : éloignement du lieu de consommation, prix de rachat de l'énergie produite trop faible, sans oublier la complexité des montages financiers lorsqu’il s’agit de se lancer dans la récupération. Si le gaz contient du soufre, il peut y avoir des problèmes de durée de vie du moteur qui le brûle, ce qui grève la rentabilité », explique Philippe Mouroux, Veolia Water STI. Dans d’autres contextes, le biogaz est quasiment la clé du succès de l'installation elle-même, explique François Morier : « Au Pakistan, sur le site de Dewan, nous avons équipé de grosses distilleries qui travaillent à partir de mélasse de canne à sucre pour produire de l’alcool surfin et du bioéthanol. Ces installations sont éloignées de ressources énergétiques ; le fioul est amené par camions, l’énergie est donc chère. Le traitement anaérobie des effluents (220 t/j de DCO) fournit un biogaz utilisé en chaufferie pour la production d’électricité et de vapeur. C'est un cas “idéal” car la production et la consommation d’énergie sont concomitantes pendant toute la durée de la campagne sucrière sur plusieurs mois. »

La valorisation la plus simple est bien souvent la production d’eau chaude qui ne nécessite qu'un faible investissement et qui bénéficie d'un très bon rendement. C'est une solution idéale dans l'agroalimentaire.

Marc Mauduit

Production de vapeur bénéficie également d'un bon rendement mais l'investissement est plus élevé. C'est un mode de valorisation fréquemment choisi par les distilleries. La production d'électricité demande des investissements encore plus importants, également plus de technicité, et nécessite une réflexion approfondie sur l'économie globale du projet fortement impactée par des décisions politiques liées au prix de rachat.

L'offre en procédés de méthanisation est couverte majoritairement par quatre grandes sociétés sur le marché français : Veolia Water STI qui revendique à travers le Groupe une place de spécialiste mondial avec 70 % du marché pour les réacteurs UASB et EGSB ; la société a passé un accord exclusif sur la France avec le néerlandais Biothane dès 1998, ensuite étendu à l'international, ainsi qu'avec Paques sur d'autres zones ; Ondeo Industrial Solutions, Groupe Suez, qui propose les procédés Analift de contact pour les eaux résiduaires très concentrées, Anapulse à lit de boue granulaire pour les eaux résiduaires contenant peu de matières en suspension et, pour ce qui est des cultures fixées (lit fluidisé sur support fin biolite), Anaflux convenant aux eaux résiduaires facilement biodégradables et contenant peu de MES. Ondeo Industrial Solutions, qui dispose de partenariats variés et de technologies développées en interne couvrant un large spectre d'applications, vient de démarrer deux installations de méthanisation dans le Sud-Ouest de la France. « Nous nous positionnons dans une optique de création de valeur pour nos clients industriels, explique Claude Delporte. De ce fait, nous attachons une importance particulière à proposer des technologies présentant un coût total d'exploitation optimisé. »

Proserpol, spécialisé en ingénierie et précurseur puisque actif depuis plus de 25 ans sur ce domaine, s'attache à produire des solutions sur mesure en recourant aux procédés disponibles ; Paques BV, société néerlandaise également spécialisée en UASB (procédé Biopaq) et qui revendique plus de 400 références dans le monde dont une bonne dizaine en France.

Des sociétés de moindre taille comme ARM ou CER ont disparu ces dernières années alors que d'autres se sont créées comme Bio-Environnement, TMB ou encore Naskeo qui exploite la technologie Proveo® (procédé de valorisation des effluents organiques développé par l'Inra à Narbonne) sur cultures fixées sur support et vise le marché de petites capacités. Bio Environnement propose de son côté ses propres procédés anaérobies avec, entre autres, le support biologique média Biosphère, inventé en 1995 par M. Berganton, gérant de Bio Environnement, qui permet de traiter jusqu'à 100 kg de DCO/m³/jour avec des rendements de 80 à 90 %. Quant à VOR Environnement, récemment repris par STOC Environnement (La Farlède), l'expérience acquise sur les petites unités déjà installées en France va prochainement être mise à profit pour développer des capacités de traitement plus importantes.

Le marché industriel est actuellement demandeur, pressé par la réglementation et l'augmentation du coût de l'énergie, mais il n'en a pas toujours été ainsi. Des affaires malheureuses se sont parfois conclues par des procès : procédés poussés aux limites de leurs possibilités, technicité insuffisante de

L'exploitant, effluent non conforme aux hypothèses de départ... Les raisons sont variées. « Chez Proserpol, nous voulons éviter deux écueils : vendre à tout prix une technologie est risqué car toute technologie a ses limites ; sous-estimer le coût réel d'une installation, car pour bien la concevoir, il faut investir dans des heures d’ingénieur ce qui présente un coût », explique François Morier.

Aujourd’hui, le marché s'est assaini, l’offre s'est adaptée, le savoir-faire affûté. « Veolia Water STI se positionne en tant qu’ensemblier ; nous savons réaliser les pré et post traitements, valoriser le gaz, trancher ou pas en faveur de la méthanisation et proposer l'exploitation de l'unité si le client le souhaite », explique Philippe Mouroux. Une approche que ne renie pas Naskeo, même si la société n’en est qu’à ses débuts sur le créneau des petites unités : pré-étude sérieuse, formation, automatisation du procédé.

À l'avenir, la méthanisation des effluents industriels devrait progresser en volume, notamment avec le développement du bioéthanol (une unité de méthanisation, conçue et construite par Veolia Water STI à Lillebonne, sera le plus important site de production de bioéthanol en Europe). Les procédés sont matures bien que des progrès soient toujours possibles : « mieux gérer les petites unités » pour René Moletta, « savoir prendre en charge l'azote et le soufre aussi en anaérobie » pour François Morier.