De la matière organique au biogaz : comprendre la biométhanisation

 

La biométhanisation se fait en 4 étapes différentes impliquant 5 groupes enzymatiques différents :

  • Une hydrolyse et une fermentation visant à dégrader les complexes moléculaires de grandes tailles (graisses, amidon, protéines,... ) en molécules plus simples et donc de plus petites tailles (sucres, alcools, acides aminés,... )
  • L'acidogenèse vise à transformer les molécules simples en acide gras volatils, ce qui a comme effet de produire de l'hydrogène et du gaz carbonique
  • L'acétogenèse visant à transformer ces molécules en acide acétiques ou en hydrogène
  • La méthanogenèse visant à transformer l'acide acétique et l'hydrogène en méthane

Les matières organiques concernées par ce processus sont les matières ne contenant pas de fibres (composés de lignine non digestes).

Les paramètres industriels à surveiller sont :

  • l'absence d'oxygène (anoxie)
  • le pH : l'acidité met en jeu d'autres processus enzymatiques qui ne conduisent pas à la production de méthane, cela provoque donc des diminutions de rendement
  • la température : cela va conditionner le choix de l'inoculum et changer les méthodes d'exploitation. Les niveaux de température sont soit mésophiles (37 à 40 °) soit thermophiles (55-60°C).
  • le rapport carbone/azote sera de ± 30
  • les matières toxiques pour l'inoculum (métaux lourds, antibiotiques, ...) qui inhibent les réactions et donc empêchent les transformations
  • l'absence de fibres non digestes

Selon le choix technologique – les solutions sont décrites ci-après - le génie civil (taille des cuves, lieux de stockage, forme du stockage...) seront différents.

Plusieurs techniques de valorisation de la biomasse existent selon que cette dernière est plus ou moins concentrée en Matière Sèche (MS).

La distinction entre les biométhanisations liquide et sèche se fait à hauteur de 20% de MS : sous ce seuil, on parle de biométhanisation liquide (ce qui inclut d'autres subdivisions techniques) et supérieur à 20%, il s'agit de biométhanisation sèche ou à forte charge.

Les unités de biométhanisation liquide

En amont des digesteurs peut se trouver un séparateur de phase qui va séparer les fibres (solide) de la phase liquide car ces dernières ne sont pas digestes en phase liquide.

Infiniment mélangé

Il s'agit d'une poche renfermant les matières à digérer, continuellement mélangée au mix microbien (bactéries et levures) responsables de la digestion durant 40 jours. Le digestat sort accompagnée du lit microbien qui sera renouvelé dans la poche.

La digestion permet la libération de biogaz.

En lit fixé

Le système ici est un peu différent : les lisiers sont pompés dans un container contenant le mix bactérien fixé sur des toiles. Le lisier progresse le long de ces toiles et est digéré au fur et à mesure de leur avancée se transformant durant 6 à 8 jours en biogaz et digestat.

Un poche en aval du container (en option dans ces installations) permet une « post –digestion » des digestats qui ne seraient pas complètement digérés dans le container ce qui présente 2 avantages : une récupération plus grande de biogaz, et un apurement partiel du biogaz des gaz soufrés

En lit fixé et en batch (2 step)

Les matières sont chargées dans un « silo » et sont hydrolysées et transformée en acétate. Le mix bactérien est fixé sur des tubes sous forme de biofilm dans lequel sont digérées les matières. La seconde cuve permet la méthanisation.

Les 2 sont connectées et permettent le passage des matières en cours de digestion d'une cuve à l'autre.

Le biogaz est récupéré par le haut des cuves.

En amont de la digestion proprement dit, les matières sont hydrolysées et en aval, le post-digesteur finit de dégrader les matières organiques plus lentes à être digérées et qui n'auraient pas été totalement transformées dans le liquéfacteur.

Sèche

La biométhanisation sèche se fait en batch ou en continu, mélangé ou pas, en combinaison avec une phase liquide (ou pas), et selon le niveau de mécanisation.

Le principe général est le même que pour la biométhanisation en voie humide, à ceci près que les jus de fermentation arrosent régulièrement les matières, percolent en fermentant ces dernières et sont récupérés par gravité. Les jus sont réinjectés pour arroser les matières et ainsi de suite jusqu'à fermentation complète des substrats.

Selon la complexité du système, le temps de digestion est de l'ordre de 15 à 30 jours.

La récupération de biogaz se fait dans le haut des silos.

Le digestat

Le digestat est le reste de la matière organique après la digestion. Il est soit liquide tel que récupéré en sortie de process soit séchée et alors prends la forme de granulat.