Détermination de la production de méthane d’installations de digestion industrielles à partir de tests BMP en laboratoire

Les performances d’une installation de digestion doivent pouvoir être estimées à l’aide de tests rapides et de coûts raisonnables, qui permettront de prédire les recettes en énergie de l’installation, et donc son équilibre financier. Ce projet a pour but d’établir si des tests en laboratoire, préalablement définis, permettent de prédire la production d’énergie d’une installation à échelle réelle, et le cas échéant quel facteur d’extrapolation il faut alors appliquer. La démarche retenue vise à comparer les résultats de production de méthane, d’une part calculée à partir de tests BMP en laboratoire, et d’autre part mesurée sur des installations industrielles, pour les mêmes substrats au cours de la même période. Deux installations de référence prennent part à ce projet. La première est la station d’épuration de Berne. Elle traite environ 234'000 t/an de boues mélangées à 7 types de co-substrats dans un procédé liquide infiniment mélangé. La deuxième est l’installation de traitement biologique des déchets organiques de la SATOM à Villeneuve. Elle traite environ 20'000 t/an de déchets verts des ménages et des collectivités ainsi que des déchets alimentaires de restaurants et de supermarchés (lavures), avec un procédé piston à forte teneur en matière sèche. Une recherche bibliographique a montré que les études sur l’impact de différents paramètres sur les tests BMP donnent des résultats très contradictoires, notamment sur la préparation, la conservation des échantillons et l’additivité des résultats dans le cas de mélanges. Afin de mener à bien le travail expérimental, deux appareils AMPTS II, fournis par l’entreprise Bioprocess Control, ont été acquis par le Laboratoire de Biotechnologie Environnementale (LBE) de l’EPFL. Ces installations permettent une mesure de la production de méthane automatique et en continue et donc un gain de temps important par rapport aux méthodes de mesures manuelles. La première étape expérimentale était de s’assurer du bon fonctionnement des installations AMPTS II et de la fiabilité des résultats fournis par ce système. Pour cela, des tests positifs réalisés avec de la cellulose, substrat souvent utilisé comme référence et bien connu dans le domaine des tests BMP, ont été effectués. Ils ont permis d’ajuster le protocole pour cette technologie. Le principe d’additivité de la production de méthane d’un mélange à partir de ses constituants individuels a été étudié. Pour ce faire, des co-digestions de 10 mélanges différents de substrats aussi divers que des déchets verts, des boues de STEP, des déchets alimentaires, des graisses ou de l’éthanol ont été comparées aux résultats obtenus par calcul à partir de la production des substrats simples. Le test statistique de Student a montré qu’il n’y avait pas de différences significatives : les résultats sont donc additifs. Des campagnes d’échantillonnage ont été effectuées sur les deux installations industrielles à Berne et à Villeneuve. Un nombre important d’échantillons a été prélevé afin de caractériser au mieux les substrats traités dans les deux installations : 52 échantillons à Berne et 24 échantillons à Villeneuve. Ces échantillons ont ensuite été analysés au laboratoire (mesures des MS et MSV et BMP). Il ressort que certains déchets présentent en effet une variabilité importante et que les déchets verts présentent une forte variabilité saisonnière qui sera prise en compte pour l’étude. Le fonctionnement des deux installations industrielles a été suivi tout au long de la période de référence, à partir des données transmises par les exploitants qui ont collaboré à l’étude. Ces données ont été traitées afin d’en extraire un suivi au pas hebdomadaire, sur les quantités de chaque substrat introduit dans les digesteurs et la production de méthane associée. Afin d’avoir des données les plus fiables possibles, et sachant que les capteurs industriels sont souvent imprécis, la production de méthane a été recalculée pour les deux installations à partir de la production d’énergie effective (biométhane à Berne et électricité à Villeneuve). Les paramètres de fonctionnement 6 principaux ont été suivis afin de confirmer (ou non) un fonctionnement satisfaisant des digesteurs sur la période de l’étude. La production de méthane réellement observée sur les installations et celles calculées à partir des mesures en laboratoire ont finalement été comparées en « dynamique » au pas hebdomadaire. Il ressort que la production réelle est très proche de la production maximale calculée. Des facteurs d’extrapolation quasi-identiques pour les deux installations ont pu être calculés : 0.94 pour Berne et 0.89 pour Villeneuve. Cependant, la comparaison dynamique a permis de mettre en évidence un phénomène de limitation de la production sur l’installation de Villeneuve. Cette limitation n’est pas due au type de procédé mais à une charge du digesteur vraisemblablement trop élevée durant quelques semaines. Bien que n’ayant pas donné lieu à un déséquilibre biologique, ces périodes traduisent une saturation du système biologique, avec un rendement en méthane inférieur à l’attendu de 25%. Cette étude permet donc de conclure qu’il est cohérent d’estimer une production de méthane sur une installation industrielle à partir de mesures de BMP en laboratoire sur des échantillons de chaque substrat traité, à deux conditions : - Les résultats des analyses doivent être représentatifs du gisement global, ce qui implique un grand nombre d’échantillons (en particulier sur les substrats majoritaires) et la considération de possibles variations saisonnières ; - La digestion doit fonctionner sans aucune limitation ni inhibition, notamment à un niveau de charge en dessous du seuil de saturation. Dans ces conditions, un facteur d’extrapolation moyen de 0.9 pour les 2 installations a été calculé.