BMP des déchets alimentaires coréens et des lixiviats : études de Cho (1995) et Lee (2009)

L'une des premières études sur les déchets alimentaires coréens – Cho, Park et Chang, Bioresource Technology 52(3) de 1995 (p. 245–253) – concerne des déchets contenant 15 à 30 % de matière sèche (MS). Les auteurs de KAIST ont mesuré le potentiel biochimique méthanogène (BMP) des composants des déchets et de leur mélange (MFW), puis ont testé la méthanisation sèche du mélange dans des réacteurs biphasiques. Il est important de distinguer deux groupes de chiffres : le BMP (jusqu'à 482 mL CH₄/g MOS ajoutée) et le rendement en réacteur (405–415 mL/g MOS réduite).

Qui et pourquoi

Les auteurs sont des chercheurs du Centre de recherche en ingénierie des bioprocédés de l'institut coréen KAIST à Daejeon (avec la participation de l'équipe biomasse du Korea Institute of Energy Research). Les mots-clés de l'étude sont : déchets alimentaires mélangés, potentiel biochimique méthanogène, méthanisation sèche anaérobie en phase solide, deux phases, lit fixe et lixiviat. L'objectif était pratique : développer un procédé pour les déchets de cuisine, qui en Corée contiennent 15 à 30 % de matière sèche, sans ajouter de grandes quantités d'eau.

Ce qui a été étudié en détail

Selon le résumé, les rendements en méthane étaient de : 482 mL CH₄/g MOS ajoutée pour la viande cuite, 356 pour la cellulose (témoin), 294 pour le riz cuit, 277 pour le chou frais et 472 pour le mélange de déchets (MFW). Les biodégradabilités anaérobies correspondantes par rapport au rendement stœchiométrique en méthane étaient de 0,82, 0,92, 0,72, 0,73 et 0,86. Dans un réacteur méthanogène monophasique, les acides gras volatils (AGV) se sont accumulés si fortement qu'ils ont inhibé la méthanisation, c'est pourquoi le MFW contenant 20 % de MS a été méthanisé dans des systèmes biphasiques à lit fixe, dans des réacteurs de 1 L et 8 L. Dans le réacteur de 8 L, l'influence de la recirculation du lixiviat sur le lit a également été étudiée. Dans un lit de 5 L, aucun biogène, tampon ou inoculum n'a été ajouté.

Résultats de la méthanisation sèche

Dans tous les cas, 87 à 90 % de la matière sèche du lit fixe ont été réduits, et environ 90 % de la MOS initiale du lit ont été transformés en biogaz. Le temps de traitement dépendait principalement de la performance du digesteur méthanogène : du temps de séjour hydraulique et de la charge. Le rendement en méthane était d'environ 405–415 mL/g MOS réduite sur toute la période d'étude, soit environ 86–88 % du BMP (rendement final en méthane) pour le même échantillon.

Comment interpréter les chiffres

La valeur BMP décrit le potentiel maximal du substrat dans des conditions de test en laboratoire, tandis que le rendement en réacteur correspond à ce qui a été obtenu dans un système spécifique. La différence est ici nette : 405–415 mL/g MOS réduite représentent environ 86–88 % du BMP du mélange. Lors des comparaisons, il convient toujours de vérifier :

• l'unité – les mL CH₄ par g MOS ajoutée (BMP) ou réduite (rendement en réacteur) ne sont pas identiques ; le résultat en mL/g de masse fraîche sera plusieurs fois inférieur ;
• la composition du substrat – les composants (viande, riz, chou) diffèrent en BMP jusqu'à deux fois, et le mélange se situe entre les deux ;
• le système expérimental – un réacteur monophasique a été inhibé par les AGV, tandis qu'un système biphasique à lit fixe a fonctionné de manière stable.

Pourquoi l'étude de 1995 est toujours citée

Selon les données bibliographiques de la base Zhenzhi (343 citations au moment de la vérification), cette étude est fréquemment citée. Des recherches ultérieures sur les déchets alimentaires coréens – par exemple, l'étude de Lee et al. sur les lixiviats, décrite ci-dessous (358–478 mL/g MOS en test BMP) – indiquent des ordres de grandeur similaires, ce qui renforce la confiance dans la plage de 350–480 mL/g MOS pour ces substrats. Une installation spécifique peut s'en écarter.

Lixiviat issu du recyclage des déchets alimentaires (Lee et al., 2009)

Le lixiviat issu des installations de recyclage des déchets alimentaires (FWL) est en Corée un effluent difficile à valoriser. Lee, Behera, Kim et Park de l'Université d'Ulsan (Waste Management 29(2), 2009, p. 876–882) ont étudié à l'échelle du laboratoire si le FWL pouvait être méthanisé dans des bioréacteurs de décharge ou des digesteurs anaérobies. L'humidité moyenne du lixiviat était de 84 %, et le rapport MV/MS de 91 % ; la composition élémentaire était représentée par la formule C₁₃,₀₂H₂₃,₀₁O₅,₉₃N₁, et la biodégradabilité était de 82,6 %. Dans un test BMP standard, on a obtenu 358 mL CH₄/g MOS après 10 jours et 478 mL/g MOS après 28 jours, avec une teneur moyenne en méthane d'environ 70 %.

Le rendement le plus élevé après 20 jours (403 mL/g MOS) a été enregistré à 35 °C, ce que les auteurs lient à l'adaptation des micro-organismes de la souche aux conditions mésophiles ; à 25, 45 et 55 °C, les valeurs étaient respectivement de 370, 351 et 275 mL/g MOS. L'ajout d'alcalinité augmentait le rendement en méthane, et la dilution du FWL pour atteindre une salinité de 2 g/L de NaCl a donné 561 mL CH₄/g MOS après 30 jours. Les auteurs concluent qu'avec une biodégradabilité élevée, la méthanisation du FWL avec contrôle de l'alcalinité et de la salinité peut être une solution durable au problème des lixiviats. La différence entre les résultats après 10 et 28 jours montre par ailleurs que le résultat BMP dépend de la durée du test.

Conclusions pour la pratique

1. Pour les mélanges de déchets de cuisine, le BMP est élevé (ici 472 mL/g MOS), mais l'étude montre qu'en réacteur, on atteint 86–88 % de cette valeur, et la faible résistance d'un système monophasique aux AGV nécessite une séparation des phases.
2. La méthanisation sèche (environ 20 % MS) nécessite un équipement différent de la méthanisation humide, et son attractivité dépend notamment de la valorisation du lixiviat.
3. Le résultat BMP d'un seul laboratoire doit être comparé à d'autres sources pour estimer la variabilité, et non être considéré comme une valeur fixe.
4. Dans le test sur le lixiviat, la température mésophile (35 °C) était la meilleure ; l'alcalinité et la salinité influençaient le rendement, et nécessitent donc un contrôle en pratique.