La méthanisation des déchets ménagers

Il en est des déchets ménagers comme des déchets agricoles : l’aspect économique joue un rôle primordial dans son implantation. La France a vu la mise en place en 1988 à Amiens du premier digesteur industriel en « fermentation sèche » sur les déchets ménagers bruts (60 000 t/an) par la société Valorga. C’était une première mondiale ! Mais cela n’a pas suivi et c’est dans d’autres pays que la technologie de fermentation des déchets ménagers a surtout été implantée comme en Allemagne, en Hollande… par exemple.

En France, la modification des tarifications de rachat de l’électricité (et d’autres mesures comme le bannissement de la mise en décharge des matières organiques) ont ouvert d’importantes perspectives pour cette filière même si l’incinération et le compostage restent les principaux concurrents pour l’exploitation de ce gisement.

Le bon fonctionnement de la méthanisation des déchets ménagers dépend avant tout des qualités du tri effectué (à la source ou mécanique) ou de la collecte sélective réalisée en amont.

De plus en plus de municipalités installent des digesteurs pour traiter leurs déchets ménagers et municipaux en général. Les technologies utilisées et leurs mises en œuvre sont les grands classiques de méthanisation des matières solides : mésophilie ou thermophilie, fermentations liquides ou sèches en une étape ou deux étapes (parfois avec un pré-compostage), continues ou discontinues, dans des digesteurs mélangés ou pistons. Même les anciennes décharges deviennent, avec la re-circulation des lixiviats sur les casiers, des procédés que l’on arrive à conduire pour la production de biogaz et réduire ainsi leurs temps de stabilisation.

Hélène Fruteau a une longue expérience de recherche-développement et industrielle dans le domaine de la mise en œuvre de la méthanisation des déchets ménagers. Elle nous fait partager ici sa connaissance. Dépolluer, produire de l’énergie et garder le pouvoir fertilisant de la matière a, là aussi, de beaux jours devant lui.

Les déchets ménagers représentent en France 390 kg/habitant/an (données 2007), dont près des deux tiers sont des composants organiques biodégradables : déchets de cuisine et de jardin, papiers, cartons et textiles sanitaires (à base de papier). La mise en place des collectes sélectives, essentiellement ciblées sur la récupération des emballages à des fins de recyclage, a permis en 2007 de détourner environ 75 kg/hab/an. Les ordures restantes ou résiduelles (OMR) ont encore un contenu en matières biodégradables estimé à 200 kg/hab/an. Leur composition...

des ménages y sont majoritaires. Cela permet d’obtenir un produit final plus homogène et plus stable, facilitant ainsi le processus de méthanisation.

Les étapes de méthanisation

La méthanisation elle-même se déroule en plusieurs étapes biologiques :

• - l’hydrolyse, où les polymères organiques sont décomposés en monomères ;
• - l’acidogénèse, où les monomères sont transformés en acides gras volatils ;
• - l’acétogénèse, où les acides gras volatils sont convertis en acétate, hydrogène et dioxyde de carbone ;
• - la méthanogénèse, où l’acétate et l’hydrogène sont convertis en méthane et en dioxyde de carbone.

Ces étapes nécessitent des conditions spécifiques de température, de pH et d’humidité pour être optimales. Les installations doivent donc être conçues pour maintenir ces conditions de manière stable.

La valorisation du biogaz

Le biogaz produit peut être valorisé de différentes manières :

• - production d’électricité et de chaleur par cogénération ;
• - injection dans le réseau de gaz naturel après épuration ;
• - utilisation comme carburant pour véhicules.

Chaque option de valorisation nécessite des équipements spécifiques et présente des avantages et des inconvénients en termes de rentabilité, de complexité technique et d’impact environnemental.

Conclusion

La méthanisation des déchets ménagers est une solution prometteuse pour la gestion durable des déchets et la production d’énergie renouvelable. Cependant, elle nécessite des installations bien conçues et une gestion rigoureuse pour surmonter les défis techniques et garantir un fonctionnement efficace et fiable.

potentiel méthanogène - représentent la matière sèche organique majoritaire (4). En 2010, le marché européen était à peu près également partagé entre digestion des déchets triés à la source et des déchets triés sur site, mais cette répartition est très différente selon les pays. En France, sur huit installations en fonctionnement, deux seulement ne traitent que des biodéchets.

Les procédés industriels appliqués à la méthanisation des déchets ménagers

Les procédés industriels appliqués à la méthanisation des déchets ménagers peuvent être schématiquement regroupés en quatre catégories :

• les procédés continus « liquides » ;
• les procédés continus secs ;
• les procédés discontinus « secs » ;
• les procédés en 2 étapes (hydrolyse/acidogénèse et méthanogénèse).

La revue de l'état de l'art la plus récente dans le domaine de l’application de la méthanisation aux déchets ménagers en Europe (5) montre qu’en 2010 :

• 60 % des installations utilisent un procédé sec, continu pour la grande majorité ;
• 58 % des installations fonctionnent en mode mésophile (35-40 °C), le reste en thermophile (50-55 °C) ;
• les procédés à 2 étapes ne représentent que 8 % des installations, de même que la co-digestion (avec des effluents agricoles ou des boues) surtout pratiquée en Allemagne.

À noter qu’aujourd’hui en France, sur les huit installations de traitement de déchets ménagers en fonctionnement, toutes utilisent des procédés continus secs.

Les procédés continus « liquides »

Ces procédés utilisent en fait les technologies de digestion éprouvées dans le traitement des boues et plus récemment dans la co-digestion agricole. Il s’agit de réacteurs infiniment mélangés classiques, à brassage mécanique, ou pneumatique (par réinjection du biogaz). La teneur en matière sèche dans ces digesteurs ne doit pas dépasser 10 à 12 %.

Dans les procédés continus, l’écosystème microbien est maintenu dans un état quasi-stationnaire par une introduction la plus régulière possible des déchets à digérer. L'écosystème s’adapte spontanément (mais pas instantanément) aux conditions du fonctionnement. En cas de variation dans l’alimentation, en quantité ou en qualité, les transitions gagneront à être les plus progressives possible de façon à permettre cette adaptation.

La spécificité de ces procédés réside dans le pré-traitement des déchets destiné à les transformer en une boue liquide. Les déchets broyés et pré-triés sont introduits avec de l'eau dans un « pulpeur », machine dérivée de l'industrie papetière, pour y être malaxés, dilacérés, mis en suspension. Les indésirables flottants (plastiques) et sédimentés (verre, inertes lourds) sont séparés.

de la suspension soit au niveau du pulpeur soit dans un équipement séparé. Pour que la séparation soit efficace, il ne faut pas que la suspension soit trop visqueuse.

La suspension débarrassée des indésirables est alors introduite dans un digesteur infiniment mélangé.

Les procédés continus « secs »

Comme les précédents, ces procédés de digestion fonctionnent avec une alimentation régulière. Mais à la différence des précédents, ils ont été conçus spécifiquement pour le traitement des déchets solides. Dans ce type de procédés, la préparation des matières est simplifiée. Les déchets doivent cependant avoir été débarrassés des composés susceptibles de gêner le fonctionnement ou d’endommager les équipements.

Ces procédés fonctionnent avec des mélanges épais et visqueux, ayant des teneurs en matière sèche de 20 à 35 % environ. Cela permet de réduire au minimum la dilution préalable. Par ailleurs, cela confère au mélange une viscosité qui limite les phénomènes de décantation ou de flottaison.

Le brassage dans le digesteur est spécifiquement adapté aux matières épaisses. Parmi les procédés industriels on distingue trois types de brassages :

• le brassage mécanique à l'aide d’un axe muni de pales ;
• le brassage par injection de biogaz sous haute pression ;
• le brassage par recirculation intensive des matières en fermentation.

La limite de consistance est donnée par la rhéologie des matières qui doivent pouvoir être pompées, circuler dans des tuyauteries de 200 à 400 mm de diamètre environ, transiter et se répartir dans le digesteur. Les systèmes d’introduction et d’extraction sont constitués par des vis ou des pompes à piston (type pompes à béton), ou bien par gravité (digesteurs verticaux).

Ces procédés présentent une circulation des matières de type piston (les matières transitent selon un flux orienté de l'entrée vers la sortie), du fait de la consistance des matières qui ne peuvent se répartir instantanément dans tout le volume du réacteur, comme dans le cas du réacteur infiniment mélangé. Une partie des matières digérées est d’ailleurs réintroduite avec les déchets frais de manière à obtenir un mélange.

plus homogène et à mettre en contact dès l'introduction les microorganismes de la digestion avec leurs substrats. Dans le cas de procédés avec une recirculation intense du digestat, le système se rapproche de l'infiniment mélangé.

Les procédés discontinus secs

Bien que de conception ancienne, le développement industriel des procédés batchs pour les déchets ménagers est assez récent.

Les procédés discontinus fonctionnent selon un schéma simple, par périodes successives. Au début de chaque période, le digesteur est vide. Il est rempli en une fois avec un mélange de déchets frais et d’inoculum bactérien, représenté par des matières déjà digérées. Le digesteur est alors refermé et on laisse l’écosystème se développer et les étapes se succéder jusqu’à quasi-épuisement du substrat. À la fin de la période, le digesteur est vidé.

La production de biogaz présente une cinétique type, avec une phase de latence, une phase de démarrage, une phase de production constante et une phase de ralentissement. Pour alimenter une unité de valorisation de biogaz avec un débit et une composition assez stable, on doit donc disposer de plusieurs digesteurs fonctionnant en décalé.

Le principe de fonctionnement de l’installation se rapproche de celui du compostage en tunnels, à la différence près de la nécessité de recycler une partie du digestat pour inoculer. Les déchets sont manipulés au chargeur. Ils ne circulent pas dans des tuyaux ni dans des pompes, ce qui fait que les contraintes de rhéologie et de présence de composés indésirables sont beaucoup moins fortes que dans les procédés continus.

Afin d’accélérer la décomposition, comme les digesteurs ne sont pas brassés, ils sont munis d’un système de recirculation du percolat.

Les procédés à deux étapes

Dans les procédés en 2 étapes, on réalise une séparation physique des phases de production d'acides et de production de méthane. L’intérêt du découplage de ces deux étapes réside dans la possibilité de réguler l’arrivée des acides au niveau de la méthanogenèse. Cela permet également d’utiliser, pour la méthanogenèse, uniquement la partie liquide riche en acides dans un procédé optimisé à rétention de biomasse (procédé à lit fixé ou UASB par exemple). Cependant, la complexité de ce type de procédés a limité son application industrielle pour les déchets ménagers.

Citons encore les procédés mixtes utilisant une première étape de type discontinu pour la production d’acides et où le percolat est récupéré pour être méthanisé dans une deuxième étape dans un bioréacteur continu à forte charge.

Température de fonctionnement

La température de fonctionnement des digesteurs n'est pas directement liée au type de procédé, la plupart pouvant fonctionner en mode mésophile (37-42 °C) ou thermophile (52-57 °C).

Il est généralement reconnu que le pilotage du digesteur est plus pointu en régime thermophile, et que la toxicité de certains composés comme l’ammoniac y est plus accentuée (9). Néanmoins, plus de 40 % des installations fonctionnent aujourd’hui en régime thermophile. Les avantages en sont des volumes de digesteur réduits et une hygiénisation plus poussée. À noter qu'une digestion thermophile n’est pas reconnue en France pour son effet hygiénisant.

Le régime thermophile est généralement appliqué aux procédés continus secs. En effet, le bilan thermique y est plus favorable : d'une part par la moindre quantité d'eau mise en jeu, d’autre part par des volumes de digesteurs plus petits donc avec moins de déperditions, enfin parce que leur charge élevée permet une meilleure conservation du peu de chaleur produite biologiquement.

Dans les procédés industriels, une partie, voire la totalité, de la chaleur est amenée au mélange avant son introduction dans le digesteur, par passage dans un échangeur ou par injection de vapeur. Dans les systèmes discontinus, la chaleur est apportée au percolat lors de sa recirculation. Le complément peut être amené au moyen de systèmes insérés dans les parois des digesteurs.

Déshydratation du digestat et dilution des déchets

Après digestion, une majorité des installations procèdent à une déshydratation mécanique du digestat. Selon la siccité du digestat, cela peut nécessiter plusieurs phases successives : une première sépara-

…tion à l'aide d'une presse sépare une partie solide et une boue liquide, une deuxième séparation retire les matières en suspension de la boue par centrifugation ou filtration souvent associée à une floculation. Avec les procédés continus liquides, mais également dans une moindre mesure les procédés secs, les déchets doivent être dilués avant méthanisation pour ajuster la teneur en matière sèche désirée. Selon leur composition, les déchets contiennent de 35 % à 60 % de matière sèche environ, le facteur de dilution peut donc varier de 0 à 6 selon que le procédé est « sec » ou « liquide ».

Cette dilution est généralement réalisée avec les eaux issues de la déshydratation mécanique du digestat. Ceci n’est pas sans poser problème car ces eaux s’enrichissent au fur et à mesure de leur réutilisation avec les composés solubles présents dans les déchets ou produits au cours de la digestion. Certains sont bénéfiques aux processus biologiques comme les hydrogénocarbonates qui assurent le pouvoir tampon, d'autres peuvent devenir toxiques comme l'ammoniac. Une attention particulière est donc à porter à la composition de ces eaux de dilution (2).

Le compostage du digestat

Dans presque tous les cas les déchets ménagers digérés sont ensuite compostés, au moins partiellement, pour obtenir un produit stabilisé valorisable. En France, la législation impose une étape de compostage « caractérisé » pour la mise sur le marché d’un amendement organique normé. Lorsque le digestat est déshydraté mécaniquement, seule la partie solide est compostée. L'addition d'un structurant, déchets verts ou déchets de bois par exemple, peut s'avérer nécessaire pour assurer une aération satisfaisante lors du compostage. Dans le cas de procédés secs, le digestat est quelquefois simplement mélangé – sans déshydratation préalable – à des déchets verts avant d’être composté.

Si le biogaz est valorisé par co-génération, la chaleur basse température peut être avantageusement utilisée pour chauffer l'air d’aération, afin d’accélérer le départ de l'eau. En effet, les matières organiques digérées ont perdu la plus grande partie de leur énergie chimique dans le biogaz, ce qui limite de fait la production biologique de chaleur. Cette étape est quelquefois dénommée « séchage » du digestat.

Le compostage du digestat constitue une partie importante des installations de méthanisation des déchets, tant en surface occupée qu’en coût de traitement. Un enjeu pour le développement de la filière serait que la méthanisation ne soit plus considérée comme un simple prétraitement avant le compostage, ce qui permettrait de développer des filières de post-traitement du digestat plus adaptées.

Traitement des eaux de procédés

En fonction de l’humidité des déchets, du taux de biodégradation dans le digesteur et du mode de post-traitement du digestat, les eaux issues de la déshydratation peuvent présenter un excédent. Dans ce cas, les eaux de procédé excédentaires devront être rejetées vers une station d’épuration urbaine. Selon la capacité de la station, un traitement complémentaire des eaux pourra s’avérer nécessaire avant leur rejet. Les composants à éliminer sont représentés par des matières en suspension, de la DCO dissoute et surtout de l'ammonium. Ce dernier représente la contrainte majeure pour l’épuration.

En principe des procédés de traitement biologique par nitrification/nitrification seront retenus, associés le cas échéant à des modules membranaires. Cette solution intégrée représente à elle seule une unité de traitement à part entière.

Le traitement de l’air

Bien que la méthanisation soit réalisée dans des digesteurs parfaitement étanches, un certain nombre de manipulations des déchets avant ou après méthanisation génèrent des émissions de molécules (mal)odorantes.

Dans les installations industrielles, ces opérations sont généralement réalisées dans des bâtiments fermés dotés de systèmes d’aspiration d’air. Cet air fait l’objet d'un traitement avant son rejet à l’atmosphère.

Les polluants présents étant essentiellement organiques et biodégradables, et en faible concentration, les systèmes utilisés sont généralement des biofiltres. Mais l’existence d’une étape de post-compostage et/ou séchage du digestat, qui génère des émissions massives d’ammoniac, rend nécessaire un traitement spécifique tel que le lavage acide sur au moins une partie du flux d’air.

La valorisation du biogaz

Les valorisations les plus courantes en Europe pour le biogaz issu des déchets ménagers sont la cogénération et l’utilisation comme substituant du gaz naturel, soit dans le réseau soit directement comme carburant véhicule. Selon la composition des

déchets traités, le biogaz peut contenir plus ou moins des contaminants dont les plus problématiques sont l’hydrogène sulfuré (H₂S) et quelquefois les siloxanes. Le biogaz issu des biodéchets contient moins de contaminants que celui des OMR.

Pour la valorisation en cogénération, en général seul l’H₂S est épuré. On doit alors réduire sa concentration soit par réaction chimique (avec du chlorure ou de l’oxyde de fer par exemple), soit par oxydation biologique. Dans les deux cas, on peut intervenir soit sur le biogaz à la sortie du digesteur, soit dans le digesteur lui-même. Le biogaz, éventuellement épuré, est utilisé pour la cogénération dans des moteurs spécifiquement adaptés, développés principalement pour le marché allemand. Quelques applications utilisent également le système des turbines à gaz.

L’utilisation en substitution du gaz naturel demande une épuration beaucoup plus poussée puisqu'il s’agit d’obtenir en général au moins 97 % de CH₄ (dépendant de la législation en vigueur). Plusieurs techniques sont utilisées industriellement. Citons : le lavage à l'eau sous pression, le lavage aux solvants organiques, le système d’adsorption sur tamis moléculaires à alternance de pression (Pressure Swing Adsorption), les procédés membranaires. Selon son utilisation, injection dans le réseau ou carburant, le biogaz épuré est alors comprimé à plus ou moins haute pression. Le biométhane épuré est alors utilisé comme du gaz naturel.

Conclusion

est à la croisée des grands enjeux environnementaux : traitement durable des déchets, production d’énergie renouvelable et maintien de la structure des sols. On ne doit cependant pas ignorer qu'elle met en œuvre des installations industrielles complexes, nécessitant une technologie pointue et une exploitation rigoureuse. Des avancées réglementaires et techniques sont encore attendues pour permettre un développement en rapport avec les multiples avantages de cette filière.

Références bibliographiques

1 Vade-Mecum du porteur de projet de méthanisation des déchets des collectivités, Techniques Sciences et Méthodes, n° 4, 2006.

2 Evaluation de la composition des déchets en vue de leur traitement par méthanisation, P. Buffière et al., L'Eau, L'Industrie, les Nuisances, n° 336, 2010.

3 La codigestion avec des déchets ménagers, H. Fruteau de Laclos, Journée technique nationale ADEME du 7 octobre 2008, Paris.

4 Anaerobic digestion of residual MSW using biological-mechanical pretreatment : the plant of Varennes Jarcy, H. Fruteau de Laclos et al., Présentation au 8th ISAD-SW, Hammamet TU, 2008.

5 State of the art of anaerobic digestion in Europe, L. De Baere et al., Proceedings of 12th International Symposium on Anaerobic Digestion, Guadalajara ME, 31 oct-4 nov 2010.

6 Ros Roca, www.rosroca.com.

7 Organic Waste System, www.ows.be.

8 Référentiel technico-économique des installations de méthanisation à petite échelle en Europe, ADEME, 2004.

9 Les technologies de la méthanisation des résidus solides, P. Buffière et al., L’Eau, L'Industrie, les Nuisances, n° thématique « les traitements anaérobies », février 2008.