Codigestion de substrats : comment accroître la stabilité et le rendement d’une unité de méthanisation

La codigestion, c’est-à-dire la digestion anaérobie simultanée de deux substrats ou plus, est en pratique la norme dans les unités de méthanisation, car elle améliore la stabilité du procédé et le bilan des éléments nutritifs, et souvent aussi l’économie. Le mélange peut compenser les carences d’un substrat (par ex. un faible rapport C:N ou l’absence d’oligoéléments) grâce aux propriétés d’un autre. L’efficacité n’est toutefois pas automatique : il faut choisir les proportions et les vérifier en laboratoire.

Pourquoi mélanger les substrats

Chaque substrat a ses propres caractéristiques. Certains apportent beaucoup d’énergie, mais acidifient le digesteur, d’autres ont un faible potentiel méthanogène, mais stabilisent le pH grâce à un fort pouvoir tampon. L’association permet :

• d’améliorer le rapport carbone/azote (C:N),
• de diluer les substances potentiellement inhibitrices (par ex. l’ammoniac),
• de compenser les variations saisonnières de disponibilité,
• d’améliorer les propriétés rhéologiques du mélange,
• d’accroître la diversité microbiologique.

Rapport C:N

L’optimum souvent retenu est un C:N compris entre env. 20 et 30:1. Un rapport trop faible (inférieur à env. 15:1) favorise une libération excessive d’ammoniac, qui inhibe les méthanogènes, et un rapport trop élevé (supérieur à env. 35:1) signifie une carence en azote pour la biomasse des micro-organismes. Les lisiers de volaille et de porc ont un C:N faible (de quelques unités à une quinzaine), l’ensilage de maïs env. 40, et la paille nettement plus élevé (plusieurs dizaines). Le C:N seul ne suffit pas pour évaluer ; il faut tenir compte de la disponibilité du carbone, du pH et de l’ammoniac (Le rapport C:N dans le mélange de substrats).

Combinaisons éprouvées

• Lisier + déchets alimentaires : le lisier fournit le tampon et la population de micro-organismes, les déchets apportent de l’énergie ; la clé est une dose augmentée progressivement pour éviter l’acidification.
• Ensilage de maïs + déchets d’abattoir : l’ensilage donne un intrant stable, les déchets d’abattoir augmentent le rendement ; les risques sont le moussage, l’ammoniac et les acides gras à longue chaîne, de sorte que la part de ces déchets est limitée et introduite avec prudence. S’y ajoutent des exigences sanitaires.
• Fumier + déchets de fruits et légumes : le fumier stabilise le pH et apporte des oligoéléments, tandis que les déchets apportent des sucres facilement fermentescibles ; particulièrement avantageux dans les régions dotées d’une industrie agroalimentaire.

Les différents substrats sont décrits dans les articles Le lisier comme substrat de base et L’ensilage de maïs pour le biogaz.

Synergie : ce que c’est et quand elle apparaît

On parle de synergie lorsque le rendement en méthane du mélange est supérieur à la somme des résultats des différents substrats digérés séparément. Les mécanismes sont un meilleur équilibrage des macro- et oligoéléments, la dilution des inhibiteurs, l’amélioration de la structure de la boue et une plus grande diversité microbiologique. L’effet n’est toutefois pas la règle : il apparaît dans une partie des mélanges, pas dans d’autres, et dans certains il est négatif. C’est pourquoi, avant de modifier la recette à l’échelle technique, il est recommandé de réaliser un test BMP du mélange dans les proportions qui seront appliquées (Codigestion : planifier le mélange de substrats).

Règles pratiques de mise en œuvre

1. Introduisez les nouveaux substrats progressivement ; augmentez la part d’un faible pourcentage à l’échelle de la semaine, en observant le procédé.
2. Surveillez régulièrement le FOS/TAC et le pH (FOS/TAC : comment mesurer).
3. Homogénéisez le mélange avant son introduction dans le digesteur afin d’éviter les zones locales d’acidification.
4. Documentez les recettes et les corrélations avec le rendement.
5. Vérifiez les exigences juridiques : liste de substrats pour le biogaz agricole, réglementation sur les déchets et les sous-produits animaux.

La planification du bilan annuel des substrats et des réserves est traitée dans l’article Planification des besoins en substrats.

Risques et limites

La codigestion n’est pas une solution universelle. L’ajout d’un substrat à forte teneur en protéines ou en lipides peut augmenter le risque de moussage et d’inhibition, et la modification du mélange influe sur les propriétés rhéologiques, ce qui se répercute sur le fonctionnement des agitateurs et des pompes. La composition du digestat et son statut juridique changent également si des déchets ne figurant pas sur la liste des substrats pour le biogaz agricole entrent dans les intrants. Pour ces raisons, toute nouvelle recette doit être évaluée sous l’angle technologique, économique et juridique, et pas seulement sur le résultat du BMP.

Rôle du laboratoire

Les analyses BMP de mélanges, l’analyse de la MS et de la MOS, le dosage de l’ammoniac, du FOS/TAC et de la composition du biogaz constituent un ensemble d’outils permettant de vérifier les hypothèses. Il est aussi utile de tenir sa propre base de résultats : relier la recette au rendement réel de l’installation permet, avec le temps, de calibrer les résultats de laboratoire à l’échelle technique.