Un peu d’histoire

 


En 1776 Alessandro VOLTA constate qu’un gaz inflammable s’échappe des marais. Il découvre ce qui sera appelé quelques années plus tard le méthane, un gaz naturel produit par la fermentation anaérobie de matières organiques.

Le méthane est le seul hydrocarbure classique qui peut être obtenu rapidement et facilement grâce à un processus biologique naturel.

Petit feu sur l’eau en canoé dans un fossé près de la grande rigole a coulon bien écarté du circuit touristique.

 

Au début du XXème siècle, la première installation produisant du méthane à partir de boues urbaines voit le jour à Exeter en Grande-Bretagne, elle permet l’éclairage des rues de la ville.

Depuis cette découverte, les progrès des techniques pour produire et valoriser le biogaz à partir de toutes sortes de déchets composés d’organiques n’ont pas cessés. Ils ont été particulièrement importants cette dernière décennie, notamment en France, comme par exemples les installations de tri-méthanisation-compostage sur déchets ménagers qui démontrent aujourd’hui leurs performances ou le procédé innovant GNVAL de production de biogaz liquide expérimenté par le Syndicat interdépartemental pour l’assainissement de l’agglomération parisienne (SIAAP).

Les responsables de ce processus naturel sont les bactéries méthanogènes et sont strictement anaérobies.

Les bactéries de la méthanisation

Pour obtenir cette énergie, les micro-organismes effectuent des réactions biochimiques d’oxydo-réduction. La méthanogénèse est le processus microbiologique au cours duquel des réactions d’oxydation des composés organiques, qui engendrent l’énergie requise par des micro-organismes, sont couplées à des réactions de réduction aboutissant finalement à la production de méthane.

Les voies métaboliques simplifiées, décrivant le processus de cette transformation, ont été exposées dans un modèle, aujourd’hui largement accepté. Le modèle fait intervenir plusieurs types de micro-organismes classés dans trois phases distinctes :

  • les bactéries hydrolytiques et fermentatives (hydrolyse et acidogénèse)
  • les bactéries acétogènes (acétogénèse)
  • les bactéries méthanogènes (méthanogénèse)

Ces trois communautés doivent constituer un écosystème équilibré pour que l’essentiel des équivalents réducteurs produits comme déchets au cours de l’anabolisme bactérien se retrouve finalement dans le méthane.

Les bactéries hydrolytiques et fermentatives

L’étape d’hydrolyse est réalisée par plusieurs groupes d’eubactéries anaérobies strictes et facultatives dont la nature dépend de la composition qualitative et quantitative de l’alimentation. Les principales espèces appartiennent aux genres Clostridium, Bacillus, Ruminococcus, Enterobacteroïdes, Propionibacterium et Butivibrio.

Les bactéries acétogènes

Au cours de cette étape, l’oxydation des substrats (surtout les acides propionique et butyrique et l’éthanol) est couplée à la formation d’hydrogène, de dioxyde de carbone et d’acétate. Elle représente l’activité de trois groupes de bactéries : les homoacétogènes des genres Clostridium, Acetobacterium, Sporomusa, Acetogenium, Acetoanaerobicum, Pelobacter Butyribacterium, Eubacterium… , les syntrophes des genres Syntrophobacter, Syntrophomonas, Syntrophus… et les sulfato-réductrices des genres Desulfovibrio, Desulfobacter, Desulfotomaculum, Desulfomonas…

Les bactéries méthanogènes

Les bactéries actives de cette dernière étape sont réunies dans un groupe qui leur est propre : celui des Archae. Elles possèdent, en effet, des caractéristiques spécifiques par rapports aux eubactéries et aux eucaryotes, notamment en ce qui concerne leurs coenzymes. Les Archae constituent un des trois statuts de règne primaire, avec les eubactéries et les eucaryotes.

 

Les différentes étapes de la digestion anaérobie et les flux de carbones associés (en % de DCO) sont présentés ci-après.

 

Les conditions physico-chimiques

Comme tout micro-organisme, la population bactérienne qui constitue le consortium méthanogène exige des conditions particulières pour sa croissance. Les principaux facteurs physico-chimiques qui affectent le procédé de digestion anaérobie sont le pH, la température et le potentiel d’oxydoréduction.

Le pH

Le pH optimum de la digestion anaérobie se situe autour de la neutralité. Il est le résultat du pH optimum de chaque population bactérienne : celui des bactéries acidifiantes se situe entre 5,5 et 6, les acétogènes préfèrent un pH proche de la neutralité tandis que les méthanogènes ont une activité maximale dans une gamme de pH comprise entre 6 et 8.
Toutefois, la méthanisation peut se produire dans des milieux légèrement acides ou alcalins.

La température

L’activité du consortium méthanogène est étroitement liée à la température. Deux plages de températures optimales peuvent être définies : la zone mésophile (autour de 35°C) et la zone thermophile (entre 55-60°C) avec une décroissance de l’activité de part et d’autre de ces températures.

La majorité des espèces bactériennes a été isolée dans des environnements mésophiles, mais tous les groupes trophiques des étapes de digestion anaérobie possèdent des espèces thermophiles utilisant les mêmes voies métaboliques que les bactéries mésophiles avec des performances analogues. Il reste possible de travailler à des températures différentes des optima avec des performances plus faibles.

Le potentiel d’oxydoréduction

Ce paramètre représente l’état de réduction du système, il affecte l’activité des bactéries méthanogènes. Ces bactéries exigent en effet, outre l’absence d’oxygène, un potentiel d’oxydoréduction inférieur à 330 mV pour initier leur croissance.

 

Les besoins nutritionnels

Comme tout micro-organisme, chaque bactérie constituant la flore méthanogène demande un apport suffisant de macroéléments (C, N, P, S) et d’oligo-éléments pour sa croissance.

Les macroéléments

Les besoins en macroéléments peuvent être évalués grossièrement à partir de la formule brute décrivant la composition d’une cellule (C5H9O3N). Pour les bactéries méthanogènes, le milieu de culture doit avoir des teneurs en carbone (exprimée en DCO), en azote et en phosphore au minimum dans les proportions DCO/N/P égale à 400/7/1.

L’ammonium est leur principale source d’azote. Certaines espèces fixent l’azote moléculaire alors que d’autres ont besoins d’acides aminés. Les besoins en azote représentant 11 % de la masse sèche volatile de la biomasse et les besoins en phosphore 1/5 de ceux de l’azote.

Les bactéries méthanogènes possèdent de hautes teneurs en protéines Fe-S qui jouent un rôle important dans le système transporteur d’électrons et dans la synthèse de coenzymes.
Aussi la concentration optimale de soufre varie-t-elle de 1 à 2 mM dans la cellule. Cette flore utilise généralement les formes réduites comme le sulfure d’hydrogène. Les méthanogènes assimilent le phosphore sous forme minérale.

Les oligo-éléments

Certains oligo-éléments sont nécessaires à la croissance des méthanogènes. Il s’agit plus particulièrement du nickel, du fer et du cobalt. En effet, ce sont des constituants de coenzymes et de protéines impliquées dans leur métabolisme. Le magnésium est essentiel puisqu’il entre en jeu dans la réaction terminale de synthèse du méthane ainsi que le sodium apparaissant dans le processus chimio-osmotique de synthèse de l’ATP.

Il existe des facteurs de croissance stimulant l’activité de certains méthanogènes : acides gras, vitamines ainsi que des mélanges complexes comme l’extrait de levure ou la trypticase peptone.

 

Les paramètres de fonctionnement

Les principaux paramètres concernant le suivi des digesteurs anaérobies à alimentation continue sont la charge volumique appliquée et le temps de séjour hydraulique.

La charge appliquée

La composition des matières polluantes est le plus souvent complexe et variable. Il est possible de caractériser globalement les substrats à traiter par leur demande chimique en oxygène (DCO en mgO2/l). Ainsi, il est possible de calculer la charge organique introduite dans l’enceinte réactionnelle en kg de DCO/jour. Elle peut être massique dans le cas où elle s’énonce en fonction de la quantité de biomasse présente dans le réacteur. C’est la charge massique appliquée exprimée en kg de DCO/kg de MVES/jour. La charge volumique appliquée (CVA), qui représente la charge appliquée à un certain volume de réacteur, s’exprime en kg de DCO par m3 de réacteur et par jour. Elle permet de comparer les conditions d’alimentation de différents digesteurs. C’est le paramètre de charge le plus utilisé en particulier pour les réacteurs à biomasse fixée pour lesquels l’accès à la concentration en biomasse est impossible.

 Le temps de séjour hydraulique (TSH)

Le temps de séjour hydraulique (TSH ou temps de séjour théorique ou temps de passage) correspond à la durée théorique du contact entre l’effluent et la biomasse. Il représente le rapport entre le volume du réacteur et le débit d’alimentation.

L’analyse de l’écoulement s’effectue à partir de la courbe de distribution des temps de séjour (DTS). Un traceur est injecté à l’entrée du réacteur. L’évolution de sa concentration en sortie en fonction du temps fournit la DTS qui permet de connaître le temps de séjour réel. Il se peut, en effet, qu’il diffère du temps de séjour théorique en raison de la présence de passages préférentiels ou de volume mort. La DTS permet également de déterminer le modèle hydraulique de l’écoulement dans le réacteur.

Dans les procédés à cellules fixées, comme le sont les lits fixes, les temps de séjour de l’effluent et de la biomasse sont différents.

La nature des composés à dégrader, la quantité de biomasse et leurs vitesses de réaction vont déterminer la valeur minimale du TSH.

 

Les propriétés du biogaz

Le biogaz est principalement constitué de méthane combustible et de gaz carbonique inerte. D’autres gaz peuvent venir s’ajouter de façon minoritaire dans la composition du biogaz : hydrogène, sulfure d’hydrogène (H2S). La teneur de ces gaz dépend étroitement du déchet traité et du degré d’avancement de la méthanisation. Le pouvoir calorifique d’un combustible est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète de l’unité de quantité de combustible. Le PCI est le pouvoir calorifique inférieur lorsque l’eau produite par cette combustion reste à l’état de vapeur. Le PCI du méthane à 0°C à pression atmosphérique est de 9,94 kWh/m3. Pour le biogaz, le PCI sera proportionnel à sa teneur en méthane (par exemple, pour un biogaz contenant 70% de méthane, le PCI sera de 9,94 x 0,7= 6,96 kWh/m3).

Nature du gaz Proportion (en %)
Méthane (CH4) 50 – 70
Dioxyde de carbone (CO2) 30 – 50
Hydrogène sulfuré (H2S) 0 – 0,5