Projet PROMETHIS. Optimisation de la méthanisation des lisiers porcins à basse température. Aspects microbiologiques. Rapport final

/ Le projet Promethis avait pour objectif d‘évaluer la faisabilité technique et économique d’une technologie rustique de méthanisation à la ferme basée sur la couverture des fosses de stockage des lisiers et la valorisation des émissions gazeuses générées. Ce procédé est assimilable à une méthanisation psychrophile, i.e. à température ambiante, a contrario des procédés actuels qui opèrent à 35°C. Chapitre 1. L’évaluation de la méthanisation au stockage sur des fosses miniatures de 200L pour tester différents scénarios à partir d’effluents de lisier porcin, Ces travaux ont été réalisés en simulation de fosse de stockage de 200L, avec ou sans inoculation par du lisier de fond de fosse ou de digestat. La première expérimentation a montré qu’en période estivale les taux de dégradation de la matière organique du lisier sur environ 7 mois sont de l’ordre de 35-45% avec une production de CH4 représentant environ 60% du potentiel méthanogène du lisier d’alimentation. La teneur en méthane du biogaz produit est de l’ordre de 60-65%. Ces taux sont assez proches des rendements obtenus en procédé classique de digestion anaérobie. Ils montrent que les conditions de température/durée ont permis une digestion correcte du produit. Il faut souligner cependant que les températures inférieures à 15°C limitent significativement la production de biogaz. Les cinétiques de production observées au cours de ces expérimentations varient de 0,1 à 1,4 NLCH4/L.semaine pour des températures entre 10 et 25°C. Ces cinétiques sont largement inférieures aux cinétiques observées en digesteurs mésophiles comprises entre 2 NLCH4/L.semaine pour les temps de séjour les plus longs et 20 NLCH4/L.semaine pour les temps de séjour les plus courts. Les résultats montrent clairement, dans ces conditions, une absence d’impact de l’inoculation et du type d’inoculum sur la production de CH4 et la dégradation du lisier. La dilution du lisier n’a pas augmenté très significativement la production de CH4 mais les résultats semblent toutefois indiquer une augmentation qualitative et quantitative de l’hydrolyse dans ce cas. La deuxième expérimentation a confirmé les difficultés du système en période hivernale conduisant à une production très faible voire inexistante de méthane. Même si les conditions expérimentales ne sont pas représentatives de la réalité, ces résultats confirment l’impact majeur de la température. Cette expérimentation a tout de même montré que, même après des conditions très difficiles allant jusqu’au gel du lisier et de l’inoculum dans les fosses, le système redémarrait dès qu’une élévation de la température apparaissait. Dans ces conditions, c'est-à-dire après des conditions hivernales difficiles, la présence d’un inoculum semble favorable à un redémarrage rapide. La troisième expérimentation a utilisé le digestat de l’expérimentation 2 pour tester ses capacités à méthaniser à basse température. Les résultats ont montré que malgré plusieurs mois passés à basse température, ce digestat n’avait pas acquis de capacité psychrophile. Ainsi, les résultats obtenus à température ambiante, avec des fosses de 200L non isolées, montrent que : i) le principal paramètre d’influence de la production de méthane en conditions « psychrophiles » est la température et ii) les conditions réelles ne permettent pas la sélection et/ou l’adaptation d’un inoculum efficace à basse température. Un modèle de prédiction de la production de méthane en fonction de la température a pu être établi à partir des résultats expérimentaux. En considérant les températures moyennes mensuelles à Rennes, la production de CH4 a pu être modélisée mensuellement pour une année type d’un élevage naisseur-engraisseur de 200 truies. L’évolution de la température et dans une moindre mesure des volumes de lisier stockés engendrent des fluctuations importantes de la production de CH4 tout au long de l’année (facteur 10-15 entre la production la plus faible en mars et la plus élevée en aout) qui poseront des problèmes pour valoriser le CH4 produit. Avec les températures considérées, la production annuelle de CH4 ne représente que 12% du potentiel méthanogène du lisier produit sur l’élevage au cours de l’année. Cependant, le modèle est très sensible à la température et une augmentation des températures moyennes considérées de 3 et 6°C permettent d’augmenter la production de CH4 à 23 et 44% du potentiel, respectivement. D’autre part, il existe une forte incertitude concernant les températures rencontrées réellement dans les fosses de stockage qui dépendent des températures extérieures mais également des conditions spécifiques de la fosse et de l’élevage. Ces premiers résultats permettent de quantifier les productions de CH4 envisageables sur le terrain mais montrent aussi l’intérêt de poursuivre les expérimentations en grandeur réelle afin d’appréhender des processus et des effets difficiles à observer à l’échelle étudiée. Chapitre 2. La sélection d'inocula psychrophiles en laboratoire afin d’étudier leur comportement et de caractériser les communautés microbiennes adaptées aux basses températures. L'absence d’effet de l’inoculation observée au Chapitre 1 et les données observées sur site réel au Canada suggèrent que l’adaptation naturelle des communautés microbiennes mésophiles des lisiers aux conditions de digestion anaérobie à basse température requiert un temps relativement long (plusieurs mois). Ce temps pourrait possiblement être écourté par l'utilisation d'inocula adaptés. Lors de la première expérimentation, différents lisiers et un digestat ont été incubés à 13°C pour observer leur capacité à produire du méthane à basse température. Les cinétiques de production de méthane et l’adaptation des communautés microbiennes ont été suivies pendant 9 mois environ. Contrairement aux résultats obtenus dans le Chapitre 1 lors des incubations en fosses à température ambiante, ces travaux ont montré que : i) il est possible d’adapter une communauté microbienne capable de produire du méthane à 13°C et ii) le choix de l’inoculum semble important. Dans ces conditions, les cinétiques de production de méthane ont varié entre 0,1 et 0,6 NLCH4/L.semaine. Le potentiel méthanogène exprimé à 13°C par rapport à celui mesuré à 35°C varie selon la nature de l’inoculum entre 31 et 65% à environ 100 jours de digestion, puis entre 26 et 55% en fin d’alimentation des digesteurs (plus de 200 jours de digestion). L’impact positif de l’inoculation dans cette expérience, comparé à l’absence d’impact observée au Chapitre 1 pourrait s’expliquer par le fait que les conditions imposées ici, une température très basse et stable, sont plus contraignantes pour les micro-organismes que les conditions fluctuantes des fosses. Dans cette situation, seuls quelques groupes microbiens pourraient s’adapter et leur présence dans l’inoculum de départ serait primordiale. Ainsi, la quantification des bactéries et archées totales dans les réacteurs montre Ainsi, la quantification des bactéries et archées totales dans les réacteurs montre que l'évolution du ratio archées/bactéries suis relativement bien l'évolution des taux de production de méthane. Le fait que l’adaptation des communautés soit très lente et nécessite plus de 200 jours est en accord avec les résultats publiés au Québec. L’espèce dominante qui a été sélectionnée pendant notre expérimentation a été identifiée par clonage et séquençage de son ADNr 16S comme appartenant au groupe méthanogène des Methanosarcinales. Ce groupe ne contient à ce jour que des espèces méthanogènes majoritairement acétotrophes qui présentent souvent un large spectre de substrats. La plupart peuvent aussi se développer par réduction du CO2 avec l'H2, par utilisation des composés méthyliques ou par fractionnement de l'acétate. Ces espèces sont toutes mésophiles ce qui suggère que la population dominante dans notre expérience s’est adaptée aux basses températures. Dans la deuxième expérimentation, ce lisier acclimaté pendant 270 jours à 13°C a été utilisé pour déterminer le taux d’inoculation nécessaire dans différents lisiers, afin d’évaluer dans quelles proportions une fosse couverte sur un élevage industriel pouvait être vidée au moment des épandages sans compromettre la bonne production de biogaz l’année suivante. Les résultats montrent des impacts plus forts pour les fosses recevant du lisier âgé (stocké pendant un an) que pour celles recevant du lisier frais. Toutefois, quel que soit le lisier, il conviendrait de conserver environ 25% du volume des fosses pour assurer une production de méthane optimale chaque année sans impacter de manière significative les capacités de stockage de l’exploitation. Ce volume correspond à une hauteur de 0,6 à 1m de lisier pour des fosses industrielles.