Détermination des potentiels méthanogènes

2.1.1. Méthode

La mesure de potentiel méthanogène (Biochemical Methanogenic Potential ou BMP) permet de déterminer la biodégradabilité anaérobie maximale de la matière organique d’un substrat et la production de méthane maximale associée. Réalisé en anaérobiose, le test de potentiel méthanogène est basé sur la mesure de la production de biogaz dans un flacon à sérum fermé (batch) de volume total de 330ml, en présence d’inoculum (dans le cadre de cette étude 30g), de substrat (ratio substrat/inoculum : 1gDCOsubstrat_biodégradable/gDCOinoculum sauf pour les substrats graisseux pour lesquels un ratio de 0,3gDCOsubstrat_biodégradable/gDCO_inoculum a été appliqué) et d’une solution nutritive (Hach©, BOD Nutrient Buffer Pillows) pour compléter à 100g la masse totale de liquide dans le flacon. Comme le montre la Figure 19, le flacon est fermé avec un septum en caoutchouc butyle et serti avec une bague à vis. Puis un renouvellement de l’atmosphère de l’espace de tête est effectué avec de l’azote pour que le mélange substrat-inoculum-solution nutritive soit mis en conditions anaérobies.

CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

Figure 19: Flacons utilisés pour les tests BMP (à gauche) ainsi que manomètre et seringue utilisés pour la mesure de la pression et le prélèvement gazeux (à droite).

Ensuite, les flacons sont mis à incuber à 38°C dans une enceinte thermostatée pendant 30 à 50jours selon les substrats étudiés. Durant l’incubation, les productions gazeuses sont suivies régulièrement en fonction de l’intensité de la production. Le suivi quantitatif de la production de biogaz est effectué à partir des variations de pression dans l’espace de tête mesurées au moyen d’un manomètre manuel (Digitron© 2085P). On réalise un prélèvement de gaz lorsque la surpression atteint 1300 mbar. Pour cela, un échantillon de 10 à 15 ml du ciel gazeux est prélevé au moyen d’une seringue à gaz. Cet échantillon est ensuite placé dans un vial de 2ml puis est analysé en chromatographie gazeuse (équipée d’un détecteur de ionisation de flamme) pour connaître les proportions de méthane et dioxyde de carbone dans le biogaz produit. Après le prélèvement, la pression du flacon est équilibrée avec la pression atmosphérique à l’aide d’une aiguille permettant l’échappement du surplus de gaz.

Chaque mesure est réalisée en triplicats. Chaque série de test est réalisée en parallèle d’un test sans ajout de substrat (blanc) qui permet d’estimer la production de biogaz liée à la dégradation résiduelle de l’inoculum. Ensuite, par différence entre la production de méthane (ou de biogaz) cumulée des tests avec substrat avec celle des tests blancs, le potentiel méthanogène (ou biogaz) du substrat étudié est calculé.

2.1.2. Précision de la mesure

Notamment du fait de la quantité importante de paramètres mesurés et de la multiplicité des prélèvements de gaz notamment, cette mesure reste assez sensible et soumise à un risque d’erreur important. Ainsi, l’erreur maximale sur la valeur du BMP a été calculée dans le cadre du protocole analytique appliqué au Cemagref de Rennes. Cette dernière a été calculée avec deux méthodes de calcul du BMP distinctes :

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Méthode 1 (M1) : A chaque prélèvement de biogaz, la quantité de méthane exactement produit depuis le dernier prélèvement est calculée. Puis ces quantités sont sommées à la fin du test.

Méthode 2 (M2) : A chaque prélèvement de biogaz, la quantité de biogaz produite depuis le dernier prélèvement est estimée. Pour estimer le méthane produit, on applique, à la principale différence avec la méthode 1 réside dans le fait que les erreurs sur la quantité de méthane présente dans l’espace de tête du flacon n’entre pas en ligne de compte.

Cependant, du fait de cette approximation, une erreur supérieure sur la mesure doit être considérée.

En utilisant ces deux méthodes, les erreurs maximales sur la mesure du potentiel méthanogène ont été calculées en considérant les erreurs maximales sur paramètres mesurés décrites dans la Table 13.

Masse d’inoculum et d’eau 0,05g Matière organique 5% de la valeur

Table 13: Erreurs absolues maximales sur les paramètres mesurés pour le calcul du potentiel méthanogène.

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15%

Figure 20: Part de l'erreur totale induite par chaque paramètre mesuré pour les méthodes de calcul 1 et 2 (en % de l’erreur maximale totale).

Ces chiffres, s’ils permettent de comparer les deux méthodes, sont néanmoins à relativiser quant à l’erreur réelle sur la mesure du potentiel méthanogène qui est forcément inférieure à cette donnée théorique du fait, d’une part, que pour chaque erreur de mesure, il s’agit d’une erreur maximale et d’autre part, que les effets antagonistes sur les différentes erreurs ne sont pas pris en compte dans le calcul. Pour minimiser au mieux l’erreur sur la valeur de potentiel méthanogène mesurée, la méthode de calcul 2 sera appliquée lors de nos travaux.

2.1.3. Estimation de la biodégradabilité des substrats

Le potentiel méthanogène peut être utilisé pour calculer une biodégradabilité de la DCO des substrats. Ainsi, sachant qu’en théorie, 1gDCO dégradé conduit à la production de 350Nml de méthane et en négligeant donc l’utilisation de matière organique par les micro-organismes pour leur anabolisme. On obtient l’Equation 1 qui permet de calculer la biodégradabilité de la DCO totale des substrats :

Biodégradabilité 100

Equation 1 : Calcul de la biodégradabilité de la DCO totale des substrats.

Méthode 1 Méthode 2

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Selon le même principe, la biodégradabilité peut être calculée sur le carbone total.

Pour cela, on considère que le biogaz est uniquement constitué de méthane et de dioxyde de carbone. Ainsi, la formule suivante est obtenue :

Biodégradabilité 100

Vmolaire = volume molaire d’un gaz parfait dans les conditions normales de pression et de température ; M(C)= masse molaire du carbone.

Equation 2 : Calcul de la biodégradabilité du carbone total des substrats.