1- FONDEMENTS BIOCHIMIQUES DE LE MÉTHANISATION Université de Glamorgan (UK) Wales Centre of Excellence for Anaerobic Digestion Professor Richard Dinsdale Le contenu de ce document n'engage que la responsabilité de son auteur et ne représente pas l'opinion de la Communauté Européenne. La Commission européenne n'est pas responsable de l'usage qui pourrait être fait des informations qui y figurent.

Le principe Dégradation de la matière organique en l’absence d’oxygène, en dioxyde de carbone et méthane grâce à un consortium bactérien CxHyOz ---> CO2 + CH4 + biomasse bactérienne anaérobique Population bactérienne complexe Des interdépendances entre les espèces bactériennes Un rôle clé des bactéries méthanogènes Modélisation de la dégradation anaérobie en 4 étapes Il y a un nombre limité de substrats qui permettent de réaliser cette dégradation anaérobie par les bactéries Consortium bactériens = association de bactéries dans le but de produire du méthane (pour ce qui nous concerne)

Processus de méthanisation Hydrolyse Acidogénèse Acétogénèse Méthanogénèse En solution : Sucre (chaînes courtes) Acides aminés Acides gras Acides (chaînes courtes) Alcools CO2 et H2 Acides acétiques Alcools CO2 et H2 Glucides Protéines Lipides CH4, CO2 et H2O Homoacétogène Biogaz Organiques H2S Réduction des sulfates NH4 ,NH3 Produits de la dégradation protéique Mélange de substrats Lignines Lignines Digestat Eau Eau Inorganiques 4 étapes : Hydrolyse = couper les longues chaînes de polymères en de petites molécules Acidogénèse = production d’hydrogène et d’AGV (acides gras volatiles) Acétogénèse = alcools, les AGV de plus de 2 carbones sont convertit en acétates et hydrogènes qui sont digérables par les bactéries méthanogènes Méthanogénèse = hydrogène et acétate sont convertit en méthane 2 voies pour produire du méthane Méthanogénèse lithotrophe (30%) : 4 H2 + CO2 => CH4 + 2 H2O Méthanogénèse acétolastique (?) (70%) : CH3COOH (acétate) => CH4 + CO2 Métaux lourds, minéraux (P,K,Na, Ca…) Métaux lourds, minéraux (P,K,Na, Ca…)

Facteurs clés pour favoriser l’activité des bactéries Hydrolyse Taille des particules (plus elles sont petites mieux c’est !) Accessibilité des substrats (pour dégradation enzymatique, difficile avec lipides) Temps de séjour dans le réacteur Structure chimique des substrats (lignine pas dégradable) Teneur en MO des substrats Acidogénèse Influence du pH et de la concentration en H2

Les facteurs de contrôle à surveiller La température (psychrophile, mésophile ou thermophile) Le pH compris entre 6,5 et 7,5 (inhibition en milieu acide) La teneur en nutriment (macro et micronutriments) recommandation : C (500-1000)-N (15-20)-P (5)-S (3) Micronutriments : Ni,Fe,Co,SE,Mg… La teneur en agents inhibiteurs (NH4+, H2S, Ca/Na/K, détergents, solvants, métaux lourds…) Le temps de séjour (garantir un temps suffisant pour le régénération des bactéries) Température : Psychrophile : 15°c, mésophile : 35°C, thermophile : 55°C Température optimum pour les méthanogènes : 55-60°C Plus température élevé plus la dégration est rapide pH Méthaogène : 6.5-7.5 pH Acidogène : 6.5-75 pH mais tolère 5.2 Plus le pH est bas, plus la production de méthane est ralentie et la consommation des AGV diminue bien que leur production continue Affecte la production de méthane et aussi la distribution des AGV

Conclusion Digestion anaérobie dépend de l’interaction entre un grand nombre de micro-organismes Processus naturel qui fonctionne depuis 3,5 milliards d’années De nombreuses possibilités de disfonctionnement, nécessite une gestion méticuleuse

2- SUIVI ET CONTRÔLE DES UNITÉS DE MÉTHANISATION Université de Glamorgan (UK) Wales Centre of Excellence for Anaerobic Digestion Dr. Sandra Esteves Le contenu de ce document n'engage que la responsabilité de son auteur et ne représente pas l'opinion de la Communauté Européenne. La Commission européenne n'est pas responsable de l'usage qui pourrait être fait des informations qui y figurent.

Volontés d’un exploitant d’unité de méthanisation Utiliser les substrats quand ils sont disponibles (attention aux excès surtout avec les co-substrats sur lesquels on touche une redevance de traitement…) Stabiliser le process Optimiser la production de biogaz Produire un digestat de qualité Minimiser les impacts environnementaux de l’unité Compter sur un système de diagnostic et d’automatisation des contrôles ?

Qu’est-ce qui peut aider ? Les connaissances de l’exploitant L’automatisation du suivi et du contrôle La flexibilité de l’unité pour faciliter le suivi (conception astucieuse) L’exploitant doit avoir des connaissances car les automates ne font pas tout et c’est un processus vivant !! Connaissances : Caractérisation des intrants Limites des équipements Acceptabilité du consortium bactérien Capacité : Mesurer les performances de la digestion – en ligne et hors ligne Mener des actions de contrôles Pompes et vannes controlables Avoir un stockage tampon séparé des intrants Homogénité du tank Accés au pré-traitement Capacité à codigérer Accès aux eaux usées, eau de pluie… Prévoir l’ajout de nutriment et d’autres produits chimiques

Qu’est-ce qui peut être contrôlé ? Les substrats Gestion des stocks, MS, MO, pH, C:N:P:S, teneurs en métaux lourds… Le digestat MO, pH, matières fertilisantes, odeurs, pathogènes… Le biogaz Production de biogaz, teneur en CH4, CO2, H2, H2S… Le contenu du digesteur T, pH, pouvoir tampon (TAC), AGV, NH4+, communauté microbienne Suivi hors ligne Suivi en ligne Suivi hors ligne Etapes clés : démarrage et changement de substrat dans la ration

Exemple du suivi du contenu du digesteur Instabilité du digesteur Exemple du suivi du contenu du digesteur Indicateurs d’instabilité

Les principales techniques de mesures Chromatographie : séparation des substances par leur différence d’affinité (solubilité, absorption, taille, charge) entre la phase mobile et la phase stationnaire AGV Électrochimie : mesure du potentiel électrique, du courant ou de la résistance en utilisant des électrodes T, pH, teneurs en 02, H2S Spectrométrie : mesure de l’absorbance, de la diffusion ou de la fluorescence de radiations (UV, visible et IR) Teneurs en CH4, CO2 Titrimétrie : mesure de la quantité de réactif qui réagit avec la substance que l’on cherche à mesurer AGVtotal, TAC, NH4+

Comment optimiser une unité de méthanisation ? Gestion basée sur la caractérisation des substrats et des performances du digesteur Maintien des paramètres (T, pH, TAC…) du digesteur à des valeurs compatibles avec les microorganismes Adaptation de la charge organique appliquée et du temps de rétention Gestion des substrats Contrôle des macro et micronutriments (Fe, Co, Ni, Mo, Se, Ca, Mg, vitamine B…) Pré et post-traitement si nécessaire Gestion des substrats : savoir arrêté certains substrats ou recherché des substrats manquants pour un mélange « parfait » Ajouter de l’eau ou faire recrculer le digestat

Le suivi en ligne Les avantages Les obstacles Permet un contrôle automatique Suivi permanent des paramètres, anticipation Fiabilité des informations sur le processus Coût des équipements Dépendance vis-à-vis des équipement (en cas de défaillance) Doit être utilisé activement dans la gestion de l’unité pour être justifié Intégration du suivi en ligne dans un système de supervision et de contrôle de l’unité de méthanisation Supervision et acquisition de données Contrôle de l’unité utilisant des algorithmes (encore en développement pour les unités de méthanisation « grandeur nature »)

et une haute qualité des produits améliore l’économie de l’unité. Conclusion De la gestion et du contrôle des substrats et des performances du digesteur résultent une meilleure efficacité de traitement/récupération, et une haute qualité des produits améliore l’économie de l’unité.