Les paramètres et conditions opératoires dans les réacteurs .1 La température

=

Pour les solides :

[ ]

MV

F

Q

R

×

=

RCH4 est le rendement en méthane du réacteur (Nm³/kgMV ou Nm³/kgDCO) ;

QCH4 est le débit de méthane (Nm³/j) ;

Fe et Qe sont les flux massiques et volumiques en entrée (kg/j et m³/j) ;

[MV]e et [DCO]e sont les concentrations (respectivement massiques et volumiques) en entrée.

Signalons que le rendement en méthane du réacteur est une donnée qui permet simplement de situer les performances d’un réacteur par rapport à son fonctionnement optimal. En effet, si toute la matière organique biodégradable était dégradée, alors nous obtiendrions une valeur du rendement en méthane égale à la valeur du potentiel méthanogène de l’effluent ou du produit organique solide considéré. Par conséquent, si l’on divise le rendement en méthane d’un réacteur par le potentiel méthanogène du produit considéré, nous obtenons le « rendement vrai » de la réaction tel que défini plus haut.

1.4.2.5 Les paramètres et conditions opératoires dans les réacteurs 1.4.2.5.1 La température

La température est un paramètre important de la méthanisation. Comme toutes les transformations chimiques et biochimiques, la vitesse des réactions qui interviennent en méthanisation augmentent avec la température (El Fadel et coll., 1996b ; Veeken et Hamelers, 1999). Certaines études (notamment Pfeffer, 1974) mentionnent cependant l’existence d’optima de

thermophiles (autour de 55°C). Le maintien en tempé rature des réacteurs de méthanisation nécessite un apport d’énergie thermique qui, dans la plupart des cas, provient du méthane généré par l’installation elle-même.

A l’échelle industrielle, différentes stratégies sont utilisées par rapport à la température :

Fonctionnement à température ambiante : ce mode de fonctionnement permet une économie conséquente au niveau des investissements, mais n’assure pas la pérennité du fonctionnement de l’installation tout au long de l’année, notamment dans les zones froides. Ce type de réacteur est en général utilisé pour les traitements extensifs.

Fonctionnement en mode mésophile : c’est le mode de fonctionnement le plus courant dans l’industrie. Il assure une vitesse constante et une bonne stabilité de la digestion anaérobie.

Fonctionnement en mode thermophile : ce mode est de plus en plus utilisé pour le traitement des produits organiques solides. Le fonctionnement à forte température permet en effet d’améliorer la vitesse d’hydrolyse par rapport au régime mésophile. Il est cependant réputé moins stable, sans doute en raison des risques de production rapide d’acides gras volatils et d’hydrogène lors de l’étape d’hydrolyse et d’acidogenèse, qui peuvent inhiber la méthanisation. Le second avantage est associé à un caractère plus hygiénisant du traitement thermophile par rapport aux germes pathogènes.

1.4.2.5.2 Le pH et l’alcalinité

D’un point de vue global, la réaction de méthanisation est neutre du point de vue de l’acidité. Il n’en demeure pas moins que le pH est un paramètre important de cette réaction. Pour mieux comprendre, référons nous au Tableau 1, page 8 : nous voyons que, si globalement la réaction ne produit ni ne consomme d’acidité (réaction 1), il n’en va pas de même pour les réactions intermédiaires :

- La fermentation du glucose produit 3 acétates et 3 protons H⁺ (réaction 5) ; - La méthanisation de l’acétate produit du bicarbonate HCO3

(réaction 15).

Par conséquent, lors de la fermentation, le pH aura tendance à diminuer. En revanche, lors de la méthanisation des acides organiques, il aura tendance à remonter. Dans un réacteur, il est bien rare que les vitesses des deux phénomènes soient les mêmes : le pH a donc un caractère très fluctuant. Dans la plupart des cas, c’est la fermentation qui est l’étape la plus rapide, et nous observerons une baisse du pH qui ne pourra pas toujours être contrée par le pouvoir tampon du milieu.

Des fluctuations trop importantes du pH peuvent également avoir des conséquences néfastes sur le fonctionnement du consortium microbien, notamment en raison de phénomènes d’inhibitions associés à la présence des acides organiques (AGV) ou d’azote ammoniacal (voir aussi la partie 1.2.2.1). Nous savons en particulier que ce sont surtout les formes non dissociées des acides gras volatils et de l’azote ammoniacal qui sont les composés les plus inhibiteurs. Les formes non dissociées des AGV se forment lorsque le pH baisse (couple acétate – acide acétique par exemple), alors que l’ammoniac libre se forme lorsque le pH augmente (couple NH3-NH4

+

). En conséquence, la méthanisation est souvent reconnue comme optimale autour de la neutralité (pH compris entre 6,5 et 8).

L’alcalinité est une notion souvent associée à celle du pH, bien qu’on ne puisse pas les déduire l’une de l’autre. L’alcalinité mesure, en effet, la capacité d’un milieu aqueux à consommer des protons sans que le pH ne varie. En méthanisation, c’est donc cette alcalinité qui va jouer le rôle de pouvoir tampon et qui va éviter que le déséquilibre latent entre la vitesse de fermentation et la vitesse de consommation des acides n’entraîne systématiquement une fluctuation brutale du pH. Elle est principalement due aux ions bicarbonate et aux acides organiques, et son niveau peut se mesurer par titration. Le dosage de l’alcalinité due aux bicarbonates permet d’avoir un assez bon aperçu du pouvoir tampon des milieux, et est souvent un paramètre plus pertinent à surveiller que le pH en tant que tel, dans la mesure où le pH peut ne pas évoluer tandis que l’alcalinité varie.

1.4.2.5.3 Autres paramètres importants pour le suivi de la méthanisation

Acides gras volatils

La concentration en acides gras volatils est un paramètre de surveillance important, bien que cela ne soit pas souvent réalisé industriellement. Nous avons vu que, d’une part, les AGV sont susceptibles de provoquer une inhibition de l’ensemble de la chaîne trophique lorsque le pH diminue ; de plus, la variation (accumulation ou disparition) des AGV en tant qu’intermédiaires réactionnels témoigne du fonctionnement global du réacteur. La mesure des AGV peut s’effectuer par chromatographie (en phase gazeuse ou liquide). Cette mesure est rarement réalisée en ligne, bien que certains titrimètres aient été développés dans ce but (Steyer et coll., 2002).

Le débit et la composition du biogaz sont les paramètres les plus importants pour le suivi des installations. Ils sont très souvent mesurés en ligne. La teneur en méthane permet de connaître la quantité de méthane produite et d’estimer le rendement de conversion du réacteur.

Certaines installations sont également équipées d’une mesure d’hydrogène en phase gazeuse. L’hydrogène est en effet un indicateur de dysfonctionnement (déséquilibre au niveau de l’étape d’acétogenèse, comme nous l’avons vu dans la partie 1.2.1.3 page 6). La détection de l’hydrogène, au même titre que celle d’une baisse d’alcalinité, permet de développer une stratégie de régulation du réacteur.

Biomasse : teneur et activité

La quantité de biomasse active dans un réacteur est un paramètre fondamental : c’est en effet la quantité et l’état physiologique des espèces intervenant dans la chaîne trophique qui sont avant tout garants du bon fonctionnement des installations. Il existe différentes techniques, plus ou moins lourdes, pour quantifier la biomasse. Ces techniques dépendent du type de réacteur et du mode de mise en œuvre des micro-organismes. Certaines mesures optiques sont utilisables dans le cas de réacteurs à biomasse libre, mais la plupart du temps les dosages de matières sèches et de matières volatiles sont les plus fréquents. Cependant, ces dosages ne permettent pas de savoir si la matière organique mesurée est bien de la biomasse, ou s’il s’agit d’autres composés. C’est pourquoi des techniques d’investigation complémentaires ont été développées pour avoir accès à des données plus spécifiques.

Les tests d’activité spécifique (James et coll., 1990 ; Rozzi et Remigi, 2004) peuvent être réalisés à partir de prélèvements dans le réacteur. Il s’agit de mettre en contact la biomasse prélevée avec différents composés organiques présents dans le milieu afin de mesurer leur vitesse de dégradation. L’activité spécifique est alors exprimée par rapport à une variable globale (la teneur en matière volatile par exemple).

Les techniques plus récentes de microbiologie moléculaire peuvent également permettre d’avoir accès à des informations complémentaires. Il est ainsi possible de cibler certains groupes à partir de leurs spécificités génétiques et de quantifier leur importance. Cependant, cela implique que les espèces considérées présentent des caractéristiques génétiques communes traduisant l’expression d’une fonction bien particulière. Ces techniques très prometteuses sont encore largement en cours de développement (McMahon et coll., 2001 ; Yu et coll., 2006). Elles ne sont pas encore pleinement exploitables du point de vue de l’ingénierie en raison de leur caractère semi-quantitatif.

Suivi de la matière organique à dégrader

Dans le réacteur, la matière organique se trouve sous différente forme : il peut s’agir de la matière organique apportée qui est en cours de dégradation, de la matière organique formée par les micro-organismes de la méthanisation, de la matière organique qui s’est accumulée (composés inertes), etc. Le suivi de la dégradation n’est donc pas une chose simple. Lorsqu’il s’agit de dégrader des composés solubles, il est possible d’effectuer un suivi à partir de la mesure des composés organiques dissous (carbone organique total – COT, ou demande chimique en oxygène – DCO). Dans le cas de produits solides ou mixtes, le suivi est beaucoup plus problématique.