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 etre estimees a l’aide de tests rapides et de couts raisonnables, qui permettront de predire les recettes en energie de l’installation, et donc son equilibre financier. Ce projet a pour but d’etablir si des tests en laboratoire, prealablement definis, permettent de predire la production d’energie d’une installation a echelle reelle, et le cas echeant quel facteur d’extrapolation il faut alors appliquer. La demarche retenue vise a comparer les resultats de production de methane, d’une part calculee a partir de tests BMP en laboratoire, et d’autre part mesuree sur des installations industrielles, pour les memes substrats au cours de la meme periode. Deux installations de reference prennent part a ce projet. La premiere est la station d’epuration de Berne. Elle traite environ 234'000 t/an de boues melangees a 7 types de co-substrats dans un procede liquide infiniment melange. La deuxieme est l’installation de traitement biologique des dechets organiques de la SATOM a Villeneuve. Elle traite environ 20'000 t/an de dechets verts des menages et des collectivites ainsi que des dechets alimentaires de restaurants et de supermarches (lavures), avec un procede piston a forte teneur en matiere seche. Une recherche bibliographique a montre que les etudes sur l’impact de differents parametres sur les tests BMP donnent des resultats tres contradictoires, notamment sur la preparation, la conservation des echantillons et l’additivite des resultats dans le cas de melanges. Afin de mener a bien le travail experimental, deux appareils AMPTS II, fournis par l’entreprise Bioprocess Control, ont ete acquis par le Laboratoire de Biotechnologie Environnementale (LBE) de l’EPFL. Ces installations permettent une mesure de la production de methane automatique et en continue et donc un gain de temps important par rapport aux methodes de mesures manuelles. La premiere etape experimentale etait de s’assurer du bon fonctionnement des installations AMPTS II et de la fiabilite des resultats fournis par ce systeme. Pour cela, des tests positifs realises avec de la cellulose, substrat souvent utilise comme reference et bien connu dans le domaine des tests BMP, ont ete effectues. Ils ont permis d’ajuster le protocole pour cette technologie. Le principe d’additivite de la production de methane d’un melange a partir de ses constituants individuels a ete etudie. Pour ce faire, des co-digestions de 10 melanges differents de substrats aussi divers que des dechets verts, des boues de STEP, des dechets alimentaires, des graisses ou de l’ethanol ont ete comparees aux resultats obtenus par calcul a partir de la production des substrats simples. Le test statistique de Student a montre qu’il n’y avait pas de differences significatives : les resultats sont donc additifs. Des campagnes d’echantillonnage ont ete effectuees sur les deux installations industrielles a Berne et a Villeneuve. Un nombre important d’echantillons a ete preleve afin de caracteriser au mieux les substrats traites dans les deux installations : 52 echantillons a Berne et 24 echantillons a Villeneuve. Ces echantillons ont ensuite ete analyses au laboratoire (mesures des MS et MSV et BMP). Il ressort que certains dechets presentent en effet une variabilite importante et que les dechets verts presentent une forte variabilite saisonniere qui sera prise en compte pour l’etude. Le fonctionnement des deux installations industrielles a ete suivi tout au long de la periode de reference, a partir des donnees transmises par les exploitants qui ont collabore a l’etude. Ces donnees ont ete traitees afin d’en extraire un suivi au pas hebdomadaire, sur les quantites de chaque substrat introduit dans les digesteurs et la production de methane associee. Afin d’avoir des donnees les plus fiables possibles, et sachant que les capteurs industriels sont souvent imprecis, la production de methane a ete recalculee pour les deux installations a partir de la production d’energie effective (biomethane a Berne et electricite a Villeneuve). Les parametres de fonctionnement 6 principaux ont ete suivis afin de confirmer (ou non) un fonctionnement satisfaisant des digesteurs sur la periode de l’etude. La production de methane reellement observee sur les installations et celles calculees a partir des mesures en laboratoire ont finalement ete comparees en « dynamique » au pas hebdomadaire. Il ressort que la production reelle est tres proche de la production maximale calculee. Des facteurs d’extrapolation quasi-identiques pour les deux installations ont pu etre calcules : 0.94 pour Berne et 0.89 pour Villeneuve. Cependant, la comparaison dynamique a permis de mettre en evidence un phenomene de limitation de la production sur l’installation de Villeneuve. Cette limitation n’est pas due au type de procede mais a une charge du digesteur vraisemblablement trop elevee durant quelques semaines. Bien que n’ayant pas donne lieu a un desequilibre biologique, ces periodes traduisent une saturation du systeme biologique, avec un rendement en methane inferieur a l’attendu de 25%. Cette etude permet donc de conclure qu’il est coherent d’estimer une production de methane sur une installation industrielle a partir de mesures de BMP en laboratoire sur des echantillons de chaque substrat traite, a deux conditions : - Les resultats des analyses doivent etre representatifs du gisement global, ce qui implique un grand nombre d’echantillons (en particulier sur les substrats majoritaires) et la consideration de possibles variations saisonnieres ; - La digestion doit fonctionner sans aucune limitation ni inhibition, notamment a 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 ete calcule.