La méthanisation est la transformation microbienne anaérobie de la matière organique en un biogaz composé principalement de méthane et de gaz carbonique. Elle est appliquée pour réduire des pollutions, qu’elles soient sous formes liquides (effluents) ou solides (déchets). La matière fertilisante des cultures (Azote Phosphore Potassium) est conservée. Elle se retrouve dans un digestat dont l’exutoire est généralement le sol via l’épandage.
L’épandage des effluents d’élevage sur les terres agricoles est pratiqué depuis très longtemps. Le digestat issu de la méthanisation de déchets organiques agricoles
…est encore mal connu d'un point de vue microbiologique, même si le traitement par digestion anaérobie permet de produire à la fois un amendement organique et un fertilisant de bonne valeur agronomique. Mais ses teneurs en micropolluants et pathogènes sont regardées avec suspicion principalement lorsque sont traitées des boues de stations d’épuration urbaines. Ainsi, les agriculteurs des syndicats d’Appellation d'Origine Contrôlée s'interrogent sur l’innocuité de leurs épandages. Nous rapportons ici quelques éléments liés à la réglementation.
Réglementation
Le retour au sol du digestat est encadré par la législation française et européenne qui définit deux options : la « logique produit » qui aboutit à une commercialisation après une homologation ou normalisation, ou la « logique déchet » qui consiste à valoriser le digestat par épandage.
Les règles concernant la « logique déchet » sont plus ou moins strictes et contraignantes en fonction des catégories dans lesquelles ils sont classés et c'est notamment le cas pour les déchets de sous-produits d’animaux qui seraient introduits dans le digesteur.
Les déchets de catégorie 1, représentant le risque le plus élevé pour la santé humaine et animale (par exemple, le cadavre et toute partie du corps d’animaux utilisés à des fins expérimentales), ne peuvent pas être traités dans une unité de méthanisation.
Les déchets de catégorie 2 (les déchets de dégrillage, dessablage, boues recueillies lors du traitement des eaux résiduaires d’abattoir, les animaux qui meurent autrement que par abattage…) représentent un risque pour la santé animale ; ils doivent être portés à 133 °C à cœur pendant au moins 20 minutes et la taille des particules doit être inférieure à 50 mm.
Les déchets de catégorie 3 (par exemple, les parties d’animaux abattus qui sont propres et impropres à la consommation mais exemptes de tout signe de maladie transmissible) doivent être pasteurisés à 70 °C pendant au moins 60 minutes et la taille des particules doit être inférieure à 12 mm. Dans le cas de digestion en co-substrat, le digestat doit être traité en fonction de l'intrant qui impose les contraintes les plus sévères.
Les règles d’épandage sont aussi plus ou moins contraignantes en fonction de la quantité de déchets traités dans les installations de méthanisation. Toutes les unités sont des Installations Classées pour la Protection de l'Environnement (ICPE), mais le régime diffère en fonction de la quantité de matière traitée.
Tableau 1 : Régime des ICPE applicable à la méthanisation
| Quantité brute traitée par jour |
| • 0 à 30 t : Déclaration, rubrique 2781-1 (matière végétale brute, effluents d’élevage, matières stercoraires, déchets végétaux d’industrie agro-alimentaire) |
| • 30 à 50 t : Autorisation, rubrique 2781-1 (remplacé par le régime de l’enregistrement) / Autorisation, rubrique 2781-2 pour les autres déchets non dangereux |
| • > 50 t : Autorisation, rubrique 2781-1 |
La législation a fixé les teneurs maximales présentes dans le produit à épandre en microorganismes pathogènes, en micropolluants tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les polychlorobiphényles (PCB), et en éléments trace métalliques (ETM) composés de cadmium, chrome, cuivre, mercure, plomb, nickel, sélénium et zinc.
Les PCB et les HAP forment ce que l’on appelle les composés trace organiques (CTO). La valeur limite totale des sept PCB indicateurs ne doit pas dépasser 0,8 mg/kg de matière sèche (MS) à épandre.
Les HAP retenus par la réglementation sont le fluoranthène, le benzo(b)fluoranthène et le benzo(a)pyrène. Les concentrations maximales épandables sur pâturage sont respectivement de 4, 2,5 et 1,5 mg/kg de MS.
Pour les ETM, les concentrations maximales vont de 10 mg/kg de MS pour le cadmium et le mercure à 3 000 mg/kg de MS pour le zinc. À noter que la concentration totale de cuivre, chrome, nickel et zinc ne doit pas dépasser 4 000 mg/kg de MS.
Pour les ETM et les CTO, d'autres contraintes, liées aux caractéristiques des sols, sont à considérer.
D’un point de vue microbiologique, les matières ne peuvent être épandues si les concentrations en agents pathogènes sont supérieures à :
- Salmonella : 8 NPP/10 g de MS (dénombrement selon la technique du Nombre le Plus Probable) ;
- Entérovirus : 3 NPPU/10 g de MS (dénombrement selon la technique du Nombre le Plus Probable).
[Photo : Installation de méthanisation à la ferme à ESSERT Blay (Savoie).]
Plus Probable d’Unités Cytopathogènes)
- Oeuf d’Helminthe : 3 pour 10 g MS ;
Des seuils fixés par la directive européenne 1774/2002/EC s’ajoutent à ces dispositions :
- Enterococcaceae ou Escherichia coli : inférieurs à 1000 unités formant des colonies par gramme (UFC/g) dans 4 échantillons ou inférieur à 5000 UFC/g dans un échantillon ;
- Absence de Salmonella dans 25 g.
Nous nous focaliserons ici plus particulièrement sur les aspects microbiologiques. De même, nous n’aborderons pas les aspects virus et champignons (qui sont aussi à considérer).
La réduction des micro-organismes pathogènes
a. Le choix des microorganismes indicateurs
Il est impossible de réaliser une étude exhaustive chaque fois que l’on veut connaître l’état sanitaire d’un intrant ou de digestat. Il est donc indispensable de passer par le choix d’organismes indicateurs. Toute la difficulté réside dans la pertinence de ces choix.
Les microorganismes indicateurs sont souvent utilisés pour détecter des présences possibles de pathogènes dans les eaux destinées à l’alimentation humaine. Le microorganisme le plus souvent utilisé comme indicateur de contaminations fécales est Escherichia coli.
Les critères de sélection de ces microorganismes indicateurs sont multiples. Parmi ceux-ci on peut citer notamment :
- La possibilité de les identifier et de les quantifier facilement ;
- Il doit être plus résistant aux traitements que les autres microorganismes qu’il est considéré représenter ;
- L’analyse doit avoir un coût raisonnable.
Ce choix peut dépendre aussi de cas spécifiques en fonction de la nature de la matière qui entre et de l’utilisation qui en sera faite.
Ce choix reste un chantier sans fin. Les techniques de microbiologie moléculaire nous ont ouvert des possibilités inimaginables il y a une dizaine d’années. Elles seront très certainement au cœur même des identifications de routine dans quelques années.
a. Les microorganismes pathogènes dans les déchets d’élevage
Le lisier de bovin (Watcharasukarn, 2009) et de porc (Vanotti, 2005) peuvent contenir des micro-organismes pathogènes (tableau 2). Ces valeurs ci-dessous sont considérées comme des teneurs maximales possibles.
Tableau 2 : Les microorganismes pathogènes dans les déchets d’élevage
- Lisier bovin :
- Coli : 10⁶ UFC/ml
- Entérocoques fécaux : 10⁵ UFC/ml
- Clostridium perfringens : 10³ UFC/ml
- Concentration maximale en agents pathogènes totaux : 10⁸ UFC/g
- Lisier porcin :
- Salmonella : 10⁵ UFC/g
- Coliforme totaux : 10⁷ UFC/g
- Coliforme fécaux : 10⁶ UFC/g
- Entérocoques : 10⁵ UFC/g
b. Influence de la DA sur l’hygiénisation de la matière
La digestion anaérobie se fait à des pH voisins de la neutralité (6,8 à 8,5) à des températures mésophiles (20 à 45 °C avec un optimum vers 35 °C) ou thermophiles (de 45 à 65 °C avec un optimum à 55 °C). Le potentiel d’oxydo-réduction est très bas (-300 à -450 mV) et les temps de séjours sont de 20 à 60 jours pour la méthanisation des matières solides (et de 0,5 à 2-3 jours les effluents). Les conditions physico-chimiques de sa mise en œuvre créent un effet hygiénisant sur les microorganismes pathogènes.
c. Les principaux facteurs conduisant à la réduction des pathogènes de la DA
Le couple température/temps de séjour
Le principal facteur est le couple température et temps de séjour. En effet, plus la température de digestion augmente, plus le temps de séjour diminue pour obtenir le même taux de réduction. Ainsi, la réduction des pathogènes est plus rapide en thermophilie qu’en mésophilie. Le temps pour réduire de 90 % la population en agents pathogènes (T90) est de plusieurs heures en thermophilie, alors qu’il est de plusieurs jours voire plusieurs mois en mésophilie (en fonction des microorganismes ciblés). Les résultats rapportés ci-dessous sont obtenus sans co-traitement de la matière.
La digestion anaérobie thermophile permet une réduction rapide des Escherichia coli et des salmonelles. Leur population diminue de 90 % en moins d’une heure (Bendixen 1999) et leur réduction est importante. Sur les effluents d’élevage, les Escherichia coli sont éliminés dans les 24 heures, les Salmonella inactivées dans les 24 heures (Sahlström, 2003) et les Nématodes de bovins sont « dévitalisés » (Marache, 2001). Lors de la méthanisation de co-substrats, certaines études montrent que les entérobactéries, les streptocoques
[Photo : Afin de produire suffisamment de biogaz, les substrats des digesteurs à la ferme peuvent être très variés !]
et coliformes, présents à 10³ initialement, sont réduits de 10² UFC/g (et se retrouvent donc à 10¹ UFC/g) et les Salmonella sont absentes après le traitement, ce qui permet au digestat d’être conforme vis-à-vis de la réglementation. Par contre, la thermophilie n’a pas d’impact sur les bactéries sporulées telles que Clostridium (Paavola, 2008).
La mésophilie permet des réductions qui sont parfois insuffisantes pour rendre le digestat conforme à la réglementation. Sur les effluents d’élevage, elle permet en général d’avoir une hygiénisation microbienne supérieure à un simple stockage. Elle permet souvent une réduction suffisante des E. coli, avec une réduction d’environ 10² (Watcharasukarn, 2009), mais elle n’a pas d’effet sur les nématodes de bovins (Marache 2001). Sur les co-substrats, la réduction est parfois insuffisante. Les entérobactéries, streptocoques et coliformes sont seulement réduits de 10¹ UFC/g et se retrouvent présents à 10² (Paavola, 2008).
Le pH et les AGV
Les AGV et le pH peuvent être des facteurs de réduction de certaines bactéries. Par exemple, ils ont un effet toxique sur les Escherichia coli et sur les Salmonella.
La toxicité des AGV est fonction du pH : un niveau élevé d’AGV et un pH acide entraînent une meilleure inactivation des Salmonella. Par exemple, la toxicité des AGV sur Salmonella typhimurium est plus élevée à un pH de 4 qu’à un pH de 5 (Sahlström, 2003). Ceci s’explique par une diffusion des AGV sous la forme non ionisée à travers les membranes cellulaires ce qui se traduit par des concentrations importantes en AGV dans le milieu intracellulaire (ce qui crée une inhibition du microorganisme).
Les caractéristiques hydrodynamiques des digesteurs
Il est évident que des digesteurs basés sur un fonctionnement agité nécessitent une bonne homogénéité afin de respecter les temps de contact et les contraintes physico-chimiques qui sont imposées. Les chemins préférentiels et les zones mortes sont autant de facteurs qui joueront à l’encontre de l’hygiénisation du digestat. Il n’existe pas de réacteur biologique et donc de digesteur « parfaitement agité », c’est pourquoi, lorsque l’on met en œuvre des digestions en continu dans des digesteurs industriels où le temps de séjour de la matière est en réalité une courbe en forme de cloche (qui peut être plus ou moins déformée), il est nécessaire de prendre des coefficients de sécurité pour atteindre les objectifs sanitaires désirés.
Ceci est moins vrai pour les digesteurs fonctionnant en discontinu où, bien que le temps de séjour de la matière soit bien maîtrisé, on n’est pas moins à l’abri des hétérogénéités des conditions physico-chimiques auxquelles sont soumis les microorganismes… pathogènes notamment.
[Photo : Séparation du digestat en fraction solide et liquide.]
Les co-traitements
Afin de compléter le traitement de la digestion anaérobie mésophile, différentes filières d’hygiénisation peuvent être mises en place avec des pré ou post-traitements de pasteurisation, de compostage ou de chaulage. Les pré-traitements utilisés en méthanisation ont deux fonctions principales : ils permettent de faciliter la dégradation de la matière organique afin de maximiser la production de biogaz et d’hygiéniser les substrats. Les post-traitements du digestat ont plusieurs objectifs : déshydrater le digestat pour réduire son volume, compléter sa fermentation et son hygiénisation.
a. La pasteurisation
La pasteurisation est une méthode physique de traitement. Selon la directive européenne, elle doit se réaliser à au moins 70 °C pendant 60 minutes. Elle peut se faire avant ou après la digestion anaérobie et elle est efficace en système continu et discontinu.
Elle permet de réduire les pathogènes, mais le temps nécessaire pour réduire la population de 90 % (T90) est nettement inférieur au temps réglementaire puisqu’il est de quelques secondes, même pour les Mycobactéries qui sont les bactéries non sporulées les plus thermorésistantes.
Par exemple, le T90 des salmonelles et Escherichia coli est de 11,3 secondes à 68 °C ; le T90 des Mycobacterium paratuberculosis est de 11,7 secondes à 71 °C (Heinonen-Tanski, 2006).
Cependant, même la pasteurisation n’a pas d’effet sur la réduction des bactéries sporulées.
b. Le stockage aérobie
Le stockage aérobie permet d’améliorer légèrement la qualité sanitaire du digestat. Il permet de réduire les agents pathogènes par le biais de la respiration aérobie qui produit de la chaleur. De plus, la dégradation de protéines par l’ammonification permet une augmentation du pH et du taux d’ammoniac empêchant la survie de beaucoup de microorganismes.
Concernant le digestat issu de digestion mésophile, certaines expériences ont montré que, lors du traitement de méthanisation en co-substrat, un post-traitement en stockage aérobie d’au moins 2,4 mois permet au digestat d’être conforme vis-à-vis
[Photo : L’épandage des rejets sert de fertilisation aux sols agricoles.]
De la réglementation : les nombres de coliformes fécaux, entérocoques et entérobactéria sont inférieurs au seuil de détection (les coliformes fécaux sont inférieurs à 50 UFC/g et les enterobacteria sont inférieurs à 100 UFC/g) et les Salmonella sont absentes. (Paavola 2008)
Mais, le stockage du digestat n’a aucune influence sur les bactéries sporulées (Clostridium) qu’il soit réalisé après une digestion mésophile ou thermophile, leur résistance est liée à leur capacité à former des spores.
Une forme de traitement aérobie (où le transfert d’oxygène est mieux maîtrisé) est le compostage. Il permet une bonne hygiénisation des digestats puisqu’il permet d’atteindre des températures de 70 °C s'il est bien conduit. Mais ceci implique le retournement régulier des digestats pour l’aération ou un système conçu pour l’aération par le sol.
c. Le chaulage
Le chaulage est une méthode de traitement chimique qui peut agir sur deux facteurs pour réduire les agents pathogènes en fonction de la chaux utilisée : oxyde de calcium (chaux vive) ou hydroxyde de calcium (chaux éteinte).
En contact avec de l'eau, la chaux vive provoque une réaction exothermique qui libère de la chaleur et entraîne donc une montée en température, ce qui permet de détruire les pathogènes.
La chaux éteinte très basique qui arrive soudainement dans le milieu provoque une augmentation rapide du pH (jusqu’à 10) et une libération d’ammoniac, ce qui permet une inhibition de beaucoup de bactéries entériques. Les salmonelles sont totalement détruites. Le chaulage peut être choisi aussi pour améliorer le pH des sols acides.
Conclusion
Parler d’hygiénisation de la matière organique par dans des systèmes biologiques non stérilisés, reste toujours une interprétation de tendances. L'état de la nature sanitaire de la matière entrante, les conditions de mise en œuvre, les co-traitements ou non mis en place, conditionneront grandement l’hygiénisation des digestats.
La digestion anaérobie est un procédé hygiénisant du point de vue des germes pathogènes. Elle est plus efficace en thermophilie qu’en mésophilie. Elle peut être complétée par des traitements comme la pasteurisation, afin d’atteindre les résultats recherchés.
Mais, l’efficacité de la méthanisation contre les pathogènes ne se limite pas à des simples considérations de couple temps-température. En effet, d’autres facteurs entrent en jeu comme le pH, la concentration en AGV, l’hydrodynamique du digesteur... Certaines bactéries sont insensibles à ce type de traitement, voire à tous les traitements conventionnels, car elles prennent une forme de résistance que sont les spores.
La grande variété de procédés de digestion anaérobie et les protocoles d’expérimentation qui diffèrent créaient de nombreux cas particuliers. Cette grande diversité rend difficile l’obtention de résultats généralisables. Néanmoins, il est évident que le passage de la matière par la digestion anaérobie diminuera la quantité de micro-organismes pathogènes présents dans les déchets d’élevage qui seraient épandus directement.
[Encart : Références bibliographiques
* Bendixen, 1999. Hygienic safety: results of scientific investigations in Denmark (sanitation requirements in Danish biogas plants). Universität Hohenheim, Stuttgart. IEA Bioenergy Workshop, Hohenheim, Germany, p. 27-47
* Heinonen-Tanski, Mohaibes, Karinen, Koivunen, 2006. Methods to reduce pathogen microorganisms in manure. Department of environmental sciences, University of Kuopio, Kuopio, Finland. Livestock science 102 (2006) 248-255
* Marache, 2001. Méthanisation des effluents et déchets organiques : état de connaissance sur le devenir pathogène. Université de Toulouse, France. Thèse de docteur vétérinaire (Thèse : 01-TOU 3-4007)
* Paavola, Rintala, 2008. Effects of storage on characteristics and hygienic quality of digestates from four co-digestion concepts of manure and biowaste. Department of biological and environmental science, University of Jyväskylä, Finland. Bioresource technology 99 (2008) 7041-7050
* Sahlström, 2003. A review of survival of pathogenic bacteria in organic waste used in biogas plants. National veterinary institute, Uppsala, Sweden. Bioresource technology 87 (2003) 161-166
* Vanotti M.B., Millner P.D., Hunt P.G., Ellison A.Q., 2005. Removal of pathogens and indicator microorganisms from liquid swine manure in multi-step biological and chemical treatment. Bioresource tech., 96(2), 209-214
* Watcharasukarn, Kaparaju, Steyer, Krogfelt, Angelidaki, 2009. Screening Escherichia Coli, Enterococcus faecali and Clostridium perfringens as indicator organisms in evaluating pathogen-reducing capacity in biogas plants. Springer science (05.03.2009) ]
Le rapport de stage de Mylène Besson est consultable sur le site : http://tene.moletta.perso.sfr.fr/
