vignette|Digesteurs anaérobies à Tel-Aviv. vignette|Usine de biométhanisation à Québec.
La méthanisation est un processus biologique de dégradation des matières organiques. Elle est appelée aussi biométhanisation ou digestion anaérobie. La digestion anaérobie est le processus naturel biologique de dégradation de la matière organique en absence d'oxygène (anaérobie) ; les polluants organiques sont convertis par des micro-organismes anaérobies en un produit gazeux (dont le méthane) et une boue résiduelle, le digestat, qui ont un potentiel de réutilisation.
La méthanisation se produit naturellement dans certains sédiments, les marais, les rizières, les décharges, ainsi que dans l'appareil digestif de certains animaux, comme les insectes (termites) ou les ruminants. Une partie de la matière organique est dégradée en méthane, et une autre est utilisée par les microorganismes méthanogènes pour leur croissance et reproduction. La décomposition n'est pas complète et laisse le digestat (en partie comparable à un compost).
La méthanisation est aussi une technique mise en œuvre dans des méthaniseurs où l'on accélère et entretient le processus pour produire un gaz combustible (biogaz, dénommé biométhane après épuration). Des déchets organiques (ou produits issus de cultures énergétiques, solides ou liquides) peuvent ainsi être valorisés sous forme d'énergie.
La méthanisation microbienne joue dans la nature un rôle important dans le cycle du carbone.
Notions théoriques et scientifiques Processus biologique thumb|upright|Schéma de la chaîne trophique de la méthanogenèse et ses différentes étapes.
La méthanisation résulte de l'action de certains groupes de microorganismes microbiens en interaction constituant un réseau trophique. On distingue classiquement quatre phases successives. : l'hydrolyse ; l'acidogenèse ; l'acétogenèse ; la méthanogenèse.
Hydrolyse Dans le réacteur, la matière organique complexe est tout d'abord hydrolysée en molécules simples par des micro-organismes. Ainsi, les lipides, polysaccharides, protéines et acides nucléiques deviennent des monosaccharides, acides aminés, acides gras et bases azotées. Cette décomposition est réalisée par des enzymes exocellulaires.
Elle peut devenir l'étape limitante parce que « trop lente ». dans le cas de composés difficilement ou lentement hydrolysables tels que la lignine, la cellulose, l'amidon ou les graisses. Dans le cas d'un mélange de déchets solides, l'hydrolyse a lieu à des vitesses différentes selon la bioaccessibilité des composants de la biomasse, alors qu'elle est simultanée dans les milieux homogènes et plus liquides..
Acidogenèse Ces substrats sont utilisés lors de l'étape d'acidogenèse par les espèces microbiennes dites acidogènes, qui vont produire des alcools et des acides organiques, ainsi que de l'hydrogène et du dioxyde de carbone. Cette étape est 30 à 40 fois plus rapide que l'hydrolyse.
Acétogenèse L'étape d'acétogenèse permet la transformation des divers composés issus de la phase précédente en précurseurs directs du méthane : l’acétate, le dioxyde de carbone et l’hydrogène. On distingue deux groupes de bactéries acétogènes : Les bactéries productrices obligées d’hydrogène, anaérobies strictes, également appelées OHPA (« Obligate Hydrogen Producing Acetogens »). Elles sont capables de produire de l’acétate et de l’ à partir des métabolites réduits issus de l’acidogenèse tels que le propionate et le butyrate. L’accumulation d’hydrogène conduit à l’arrêt de l’acétogenèse par les bactéries OHPA. Ceci implique la nécessité d’une élimination constante de l’hydrogène produit. Cette élimination peut être réalisée grâce à l’association syntrophique de ces bactéries avec des microorganismes hydrogénotrophes. Les bactéries acétogènes non syntrophes dont le métabolisme est majoritairement orienté vers la production d’acétate. Elles se développent dans les milieux riches en dioxyde de carbone. Les bactéries « homoacétogènes » font partie de ce groupe, elles utilisent l’hydrogène et le dioxyde de carbone pour produire de l'acétate. Elles ne semblent pas entrer en compétition pour l’hydrogène avec les Archaea méthanogènes hydrogénotrophes et sont présentes en quantité beaucoup plus faible dans les biotopes anaérobies.
Méthanogenèse
La méthanogenèse est assurée par des microorganismes anaérobies stricts qui appartiennent au domaine des Archaea. Cette dernière étape aboutit à la production de méthane. Elle est réalisée par deux voies possibles : l'une à partir de l'hydrogène et du dioxyde de carbone par les espèces dites hydrogénotrophes, et l'autre à partir de l'acétate par les espèces acétotrophes (dites aussi acétoclastes). Leur taux de croissance est plus faible que celui des bactéries acidogènes.
+ 4 → + 2 . → + .
Conditions physico-chimiques La méthanisation est un processus biologique complexe qui nécessite la mise en place de certaines conditions physico-chimiques pour lesquelles la réaction biologique est optimisée. Les Archaea méthanogènes sont des organismes anaérobies stricts. Elles se développent de façon satisfaisante lorsque le potentiel d'oxydo-réduction par rapport à l'électrode normale à l'hydrogène (Eh) du milieu est très bas (-).
Conditions de température La température cible est dite « température de consigne ». Trois régimes thermiques sont possiblesSolagro (2001), "La digestion anaérobie des boues urbaines ; état des lieux, état de l'art". PDF, 36 pages. : Psychrophile : lorsqu’il n’y a pas de système de chauffage, la température est alors comprise entre 5 et . Mésophile : de , c'est le plus courant dans les installations agricoles. Thermophile : de , souvent à , dans une gamme de pH comprise entre 6 et 8 avec un optimum compris .
Conditions de milieu physico-chimique Les Archaea méthanogènes ont des besoins en oligo-éléments particuliers comme le fer, le molybdène, le nickel, le magnésium, le cobalt, le cuivre, le tungstène et le sélénium. La pression partielle d'hydrogène doit rester en dessous de 10 bar en phase gazeuse. Un pH neutre favorise la formation de biogaz par rapport à un pH acide..
Afin de diminuer la présence de sulfure d'hydrogène dans le biogaz produit, on peut créer des conditions microaérobies à la surface du milieu réactionnel en injectant une faible proportion d'oxygène dans la partie gazeuse du digesteur..
Évolution des nutriments La méthanisation concerne essentiellement les matières organiques. Pour les composants non organiques, elle peut avoir un effet sur leur forme.
Ainsi, l'azote présent dans des effluents d'élevage ne subit pas de transformation, alors que l'azote organique du sang, des déchets verts et de table est minéralisé et que l'azote minéral des fruits, pailles et graisses évolue vers de l'azote organique..
Ressources méthanisables (intrants) Types d'intrants Les matières méthanisables (ou intrants) sont des matières organiques d'origine animale, végétale, bactérienne ou fongique. Elles sont notamment caractérisées par leurs pourcentage de matière organique (MO), de matière sèche (MS) et leur potentiel méthanogène dit BMP (acronyme de Biochemical Methane Potential). Elles sont principalement issues de : produits agricoles : fumier. et lisier, culture intermédiaire à vocation énergétique (CIVE), paille et menue-paille, et autres résidus de culture. ; en France, de tonnes de résidus organiques générés chaque année par les activités agricoles pourraient être valorisés en biogaz par procédé de méthanisation ; industrie agroalimentaire : graisses végétales ou animales, coproduits et sous-produits d'usines de production/transformation d’amidon, de protéines végétales, d’acide citrique, de poissons, de viandes (abattoirs compris), de lait, de fruits et légumes, coproduits, de sucre/alcool (betteraveries/sucreries, distilleries, brasseries…). ; assainissement : boues organiques., graisses, produits de vidanges. ménages : les fractions fermentescibles des ordures ménagères (FFOM) contenues dans les ordures ménagères résiduelles (OMR), biodéchets collectés en mélange avec les déchets verts, biodéchets collectés sélectivement, déchets verts collectés en porte-à-porte (PAP), déchets verts collectés en déchèterie ; collectivités : déchets verts des services techniques des communes, déchets de cuisine et restauration collectives ; gestion des paysages et de l'environnement : déchets verts d'entreprises de paysage ; gros producteurs : déchets des marchés forains communaux et des marchés de gros, déchets de la grande restauration commerciale (hôtel, restaurant, restauration rapide, traiteur) ; restauration : déchets de restauration collective en enseignement (écoles, collèges, lycées, enseignement supérieur), déchets de la restauration collective en établissement de santé (crèches, hôpitaux, cliniques, maison de retraite, foyers), déchets la restauration d'administrations ou inter-entreprises ; commerce alimentaire : déchets d'hypermarchés, des supermarchés et magasins multicommerces, des supérettes, des fleuristes, bouchers, boulangers, pâtissiers, primeurs, charcutiers-traiteurs, magasins d'alimentation générale
Stockage vignette|Réservoir pour la méthanisation, au premier plan les déchets verts comme base de la production de gaz, vers Ladenburg en Allemagne. Septembre 2023. La production d'intrants varie selon les saisons. Ils doivent être conservés, parfois pour plusieurs mois, et idéalement à l'abri de l'air et au frais, pour conserver leur pouvoir méthanogène. Plusieurs modalités de stockage existent : l’ensilage (notamment pratiqué pour les CIVE). Il est basé sur la fermentation lactique. Si les CIVE étaient conservées à l'air libre, elles subiraient une perte de matière et une perte de 40 % du potentiel méthanogène en 28 jours ; selon une étude de 2017, les conditions de préparation de l'ensilage sont importantes et devraient être optimisées, en particulier le préfanage avant ensilage, pour assurer la stabilité du stockage par ensilage sur le long terme. Des essais ont montré qu'après 90 jours le pH de CIVE reste stable autour de 4,4 et que moins de 10 % de la matière organique a été consommée par la fermentation lactique. De plus durant ce temps, le potentiel méthanogène a pu augmenter passant de CH/tMO pour la CIVE brute à CH/tMO après 28 jours en ensilage. stockage en hangar (pour des matières non humides ne se décomposant pas spontanément) ; stockage en cuves (lisiers) ; les fumiers sont trop souvent simplement stockés à l’air libre, ce qui les rend beaucoup moins méthanogènes, . Après 90 jours de stockage, ces pertes s’élèvent à 20 % pour le potentiel méthane (exprimé en mètre cube normé de méthane par tonne de produit brute ( CH/tPB)). Le fumier frais produit un biogaz contenant 67 % de méthane ; taux qui grimpe à 74 et 75 % après respectivement 30 jours et 90 jours de stockage. Mais stocker les fumiers seuls et en conditions confinées (sous bâche) n'empêche pas une perte de matière organique (jusqu’à 35 %) et une lente dégradation de leur BMP (-50 % du BMP après 120 jours). Par contre .. co-stockage de plusieurs types d'intrants : par exemple associer des CIVE et du fumier en mélange 50/50 améliore la conservation de la matière après 15 à 30 jours de stockage, en améliorant le potentiel méthane (mesuré en CH/tPB) dans un premier temps, puis en le dégradant après 90 jours de co-stockage. ; stockage réfrigéré, liquide par exemple pour des déchets alimentaires afin qu'ils ne génèrent pas d'odeur en commençant à fermenter à l'air libre.
Qualité physicochimique des ressources Les produits à méthaniser ne doivent pas contenir de biocides ou de composés susceptibles d'inhiber les réactions biologiques impliquées dans la méthanisation ou d'endommager l'installation.
Pour que le digestat puisse être valorisable en épandage, il ne doit pas contenir des quantités excessives de divers polluants susceptibles d'être trouvés dans les produits introduits dans le digesteur.