Facteurs d’influence de la biodégradation

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1.3.3. Facteurs d’influence de la biodégradation

Les facteurs influençant la biodégradation des déchets sont nombreux. Ils sont pour la plupart en rapport avec la biodisponibilité du substrat ou les conditions environnantes, qui influencent les cinétiques de réactions et la croissance des populations de micro-organismes. Parmi ces facteurs, on peut citer les suivants qui favorisent la biodégradation (Berthe, 2006) :

- la teneur en eau ; - la température ; - le pH ;

- le broyage et le compactage.

Ces principaux facteurs sont discutés ci-après. D’autres facteurs inhibants, principalement chimiques, seront brièvement abordés.

• Teneur en eau – rôles de l’eau

L’eau a un impact majeur sur la biodégradation de la MO des déchets. Elle serait le facteur le plus limitant de la biodégradation et en l’absence d’eau, la biodégradation peut être totalement inhibée (Kjeldsen et al., 2002). A l’inverse, l’excès d’eau peut être également néfaste d’un point de vue de la stabilité mécanique du massif de déchets notamment (Khire et Mukherjee, 2007), mais aussi car il entraîne une accumulation d’AGV (Townsend et al., 1996 ; Aran, 2001 ; Benbelkacem et al., 2010 ;

Nguyen et al., 2007), ou entraîne un déséquilibre dans les populations bactériennes (Olivier, 2003). Le rôle de l’eau est en fait multiple (Rouez, 2008) :

- l’eau est le constituant majeur de la plupart des micro-organismes intervenant dans la biodégradation des déchets, constituant plus de 75% de leur masse (RECORD, 2002). De plus, les biofilms, qui jouent un rôle important dans la biodégradation, ont besoin d’une teneur en eau suffisante pour pouvoir subsister (Chenu, 2007) ;

- l’eau est aussi consommée pendant les réactions de la dégradation de la matière organique (voir notamment l’Equation II-24). Une consommation de 190 g d’eau par mètre cube de biogaz produit est rapportée dans la littérature pour la MO dégradable (Tchobanoglous et al., 1993) ;

- l’eau agit enfin comme un vecteur dans la dissémination des micro-organismes, des nutriments, des enzymes et des métabolites (Augenstein et Pacey, 1991 ; El-Fadel et al., 1997 ; Aguilar-Juarez, 2000).

Il est toutefois difficile d’avancer une teneur en eau optimale pour la biodégradation (Olivier, 2003). Il semblerait qu’une teneur en eau w’ de 25% à 35% soit un minimum (Reinhart et Townsend, 1997), d’autres auteurs avancent une valeur de 50% (Gourdon, 2001 ; Benbelkacem et al., 2010¹⁸), 55% (Gachet, 2005) ou 60% (Yuen, 1999 ; Wang et al., 2006). La teneur en eau optimale serait en tout cas dans la gamme entre 40% et 70% environ (Reinhart et Townsend, 1997 ; Guérin et al., 2004). Toutefois, la question de l’efficacité de mouillage est aussi importante que celle de la teneur en eau elle-même, car les différents états de l’eau et son lieu de rétention sont supposés être déterminants pour la disponibilité de cette dernière (Olivier, 2003) : en ce sens, la structure poreuse (valeur de porosité et distribution des pores) a son importance.

N’oublions pas enfin qu’il existe une limite physique de teneur en eau, donnée par la limite de rétention, ou capacité au champ (même si ce terme ne correspond pas à une caractéristique intrinsèque) qui ne pourra être dépassée en conditions de drainage gravitaire.

• Rôle de la température

La température agit elle aussi comme un facteur déterminant sur la biodégradation. Son rôle conditionne essentiellement les cinétiques des réactions chimiques, mais aussi la nature des populations de micro-organismes actives au cours de la biodégradation (RECORD, 2002) :

- les bactéries psychrophiles sont majoritaires en deçà de 20°C ; - les bactéries mésophiles sont majoritaires entre 20 et 45°C ; - les bactéries thermophiles sont majoritaires au-delà de 45°C ;

- les bactéries hyperthermophiles sont majoritaires vers 60-80°C voire au-delà.

Les bactéries en jeu lors des processus de biodégradation dans les massifs de déchet sont de type mésophile et thermophile, qui nécessitent une température minimale pour pouvoir assurer leur rôle. Selon Yeşiller et al. (2005), l’optimum de température serait compris entre 34 et 41°C d’après des essais de laboratoire. Thomas (2000) parle d’une température optimale autour de 40°C. Zhao et al. (2008) ont également constaté une corrélation forte entre température et production de méthane. L’augmentation de température se traduit par une augmentation des vitesses réactionnelles, comme prédit selon la loi d’Arrhenius, mais, au-delà d’un certain seuil en température, dit critique, (65-70°C), l’activité bactérienne est nettement diminuée (Rouez, 2008). Dans la mesure où les populations bactériennes ne sont pas identiques à différents niveaux de température, il faut donc nuancer la théorie de la loi d’Arrhenius, et l’on ne pourrait pas a priori envisager d’augmenter fortement la température dans le simple but d’accélérer la biodégradation.

La dégradation aérobie (I) fonctionne dans une large gamme de températures (Bellenfant, 2001), et permet souvent d’atteindre des températures élevées, jusqu’à 50 à 70°C (Lornage et al., 2007). Ceci permet alors un meilleur démarrage de la biodégradation anaérobie, beaucoup moins exothermique, mais qui nécessite une température minimale pour que les bactéries méthanogènes, mésophiles, s’installent (Aguilar-Juarez, 2000).

Au-delà de ces rôles biochimiques, la température peut aussi influencer les propriétés physiques du milieu, notamment les équilibres liquide-gaz, la dissolution des solides (Rouez, 2008), mais aussi certaines propriétés mécaniques (Yeşiller et al., 2005).

On peut noter que les températures peuvent constituer un indice pour évaluer la distribution de l’activité biologique dans une ISDND (Bellenfant, 2001), ou la teneur en eau (Imhoff et al., 2007). Cependant, les variations de température au cours du stockage, et notamment durant la méthanogénèse, peuvent être considérées comme faibles, une fois la phase exothermique aérobie passée (Yeşiller et al., 2005).

• Rôle du pH

Le pH joue, tout comme la température, sur l’activité des organismes. La plupart des micro-organismes mis en jeu lors de la biodégradation de déchets nécessitent des pH voisins de 7 (Thomas, 2000), voire supérieurs à 7 (Mehta et al., 2002 ; Gachet, 2005). Le pH a été identifié comme levier majeur de la biodégradation par certains auteurs (Valencia et al., 2009).

Lorsque le pH reste inférieur à 6.5, il peut y avoir « blocage » en phase d’acidogénèse (II) et une production très faible voire inexistante de méthane. Le pH peut alors remonter progressivement en fonction du pouvoir tampon du milieu, et en fonction des autres paramètres influençant le pH : concentration en AGV, NH4

+

, H2S et teneur en CO2 du biogaz (Rouez, 2008). Nous reviendrons aussi sur le rôle de ces paramètres inhibiteurs.

• Influences du broyage et du compactage

Le broyage et le compactage des déchets sont souvent présupposés avoir une influence positive sur la biodégradation. Le broyage a pour effet d’augmenter la surface spécifique des grains et donc leur surface de contact (RECORD, 2002 ; Berthe, 2006). La phase d’hydrolyse est particulièrement sensible à la taille des particules (Rouez, 2008). Les bonnes performances du PTMB sont souvent conditionnées par un broyage efficace préalable pour augmenter la biodisponibilité des nutriments (Lornage et al., 2007).

Toutefois, l’effet du compactage semble plus discutable. S’il est souligné comme positif par certains auteurs (Gachet, 2005), la diminution de perméabilité qui lui est consécutive rend les circulations de fluides plus difficiles, ce qui tend à freiner le rôle de vecteur de l’eau et la diffusion d’oxygène dans les premières couches de déchets, ce qui limite l’efficacité de l’hydrolyse. Ainsi, Valencia et al. (2009) ont montré que des pilotes davantage compactés atteignaient moins rapidement la phase de méthanogénèse. Par ailleurs, un compactage élevé risque de poser problème si une stratégie de recirculation des lixiviats est mise en place. L’un des intérêts des pilotes large échelle CICLADE, support de ce travail, est justement de pouvoir mettre en compression des déchets à long terme et d’en étudier en parallèle la biodégradation.

• Principaux facteurs inhibiteurs de la biodégradation

Les réactions de biodégradation et en particulier la méthanogénèse sont sensibles à différents inhibiteurs, notamment les AGV, certains ions et métaux, et la teneur en dihydrogène (Gachet, 2005). Ces effets restent toutefois controversés pour certains. Les fortes concentrations d’AGV peuvent avoir un rôle inhibiteur en maintenant une phase acide, comme nous l’avons déjà vu (Aguilar-Juarez, 2000). Concernant les ions, le rôle négatif de certains métaux lourds, du sodium, du potassium, du calcium et de l’ammonium à de fortes concentrations a été souligné (Rouez, 2008).