Étude chinoise sur la paille de riz : le prétraitement chimique augmente le rendement de biogaz de 36 à 45 %

La paille de riz constitue l'une des plus importantes ressources de déchets agricoles en Asie, mais en raison de sa teneur élevée en lignocellulose, elle fermente lentement et de manière incomplète. Une étude menée par une équipe de la Jiangsu Academy of Agricultural Sciences à Nanjing (avec des coauteurs de la Southeast University), publiée dans la revue BioResources en mars 2019, a examiné si trois réactifs chimiques peu coûteux pouvaient améliorer le rendement en biogaz pour un temps de prétraitement court. Le meilleur résultat a été obtenu avec l'hydroxyde de calcium : 413,5 mL de biogaz par gramme de matière organique sèche, soit 45,2 % de plus que la paille non traitée.

Méthodologie

La paille a été mélangée avec de l'eau dans un rapport de 1:3 et traitée à température ambiante dans un système « à sec » (solid-state). Les concentrations (par rapport à la masse) étaient les suivantes : 3 % de H₂O₂, 8 % de Ca(OH)₂ et 5 % de NH₃·H₂O. Les durées de prétraitement testées étaient de 6, 24, 72, 120 et 168 heures. La méthanisation a été réalisée en mode discontinu à une température de 37 ± 1 °C dans des bouteilles de 1000 mL avec un volume de travail de 800 mL, contenant 48 g de paille traitée (matière sèche) et 500 g d'inoculum sous forme de digestat issu de boues de station d'épuration. Le pH a été ajusté à 7,5, et l'air présent dans l'espace au-dessus du milieu a été éliminé par un balayage à l'azote.

Résultats

Les auteurs concluent que la réduction du temps de prétraitement est réalisable pour les trois solutions, et que le Ca(OH)₂ a donné le rendement le plus élevé avec la durée optimale la plus courte (72 h). La différence entre la chaux et les deux autres variantes était statistiquement significative (P < 0,01), tandis que H₂O₂ (168 h) et NH₃·H₂O (120 h) ne présentaient pas de différence significative. La vitesse volumétrique moyenne de production de biogaz dans ces variantes était supérieure de 35,4 à 45,8 % à celle du témoin.

Comment interpréter ces résultats

Premièrement, le résultat principal concerne le biogaz, et non le méthane : la teneur moyenne en méthane dans cette étude était d'environ 46 %, et le rendement en méthane après les meilleurs prétraitements se situait dans une fourchette de 182,6 à 198,0 mL/g MOS (soit 31,7 à 42,8 % de plus que le témoin, à 138,7 mL/g MOS). Deuxièmement, un test discontinu avec un seul type d'inoculum donne un résultat dépendant des conditions ; d'autres laboratoires pourraient obtenir des valeurs différentes pour la même paille. Troisièmement, le pourcentage d'amélioration par rapport au témoin est plus important que la valeur absolue, car il dépend moins de l'échantillon et de l'inoculum. C'est pourquoi, lors de l'établissement de tableaux BMP, nous indiquons la méthode et le type de résultat (biogaz ou méthane).

Signification pratique

Pour une unité de méthanisation, le prétraitement de la paille doit être évalué sur le plan économique : coût du réactif, de l'énergie et du temps, ainsi que l'impact sur le digestat (la chaux augmente le pH et la teneur en calcium, l'ammoniac accroît la teneur en azote). Dans les exploitations où la paille est un déchet, un simple broyage et une codigestion avec du lisier peuvent suffire (en fonction de la proportion de paille dans la ration et de l'installation). La codigestion de la paille de riz avec du lisier porcin, incluant un prétraitement microbiologique, est décrite dans un article séparé.

Pourquoi la paille de riz est un substrat difficile

Les auteurs soulignent que le prétraitement vise à éliminer une partie de la lignine et des hémicelluloses, ce qui augmente l'accessibilité de la cellulose aux enzymes. Les méthodes chimiques sont présentées comme pratiques, rapides et peu coûteuses, mais le prétraitement liquide classique nécessite beaucoup d'eau pour le rinçage ou des acides et des bases pour la neutralisation, provoque de la corrosion et lessive une partie de la matière organique soluble. C'est pourquoi cette étude a utilisé un prétraitement « à sec » à température ambiante, sans rinçage. En pratique, le choix de l'agent dépend du prix, de la sécurité d'utilisation et de son impact sur le digestat.

Comment choisir la durée du prétraitement

La conclusion la plus importante de cette étude concerne la durée : les meilleurs résultats ont été obtenus après 72 h (chaux), 120 h (ammoniac) et 168 h (peroxyde d'hydrogène), soit de trois à sept jours, sans recourir à des procédures plus longues. Pour une entreprise, cela signifie la nécessité de réaliser ses propres tests BMP à plusieurs points temporels, plutôt que de copier les paramètres issus de la littérature.

Remarque sur la comparabilité

L'étude publiée dans BioResources sert à comparer les méthodes de prétraitement, et non à déterminer le BMP de la paille de riz selon un protocole normalisé. Ses chiffres doivent donc être considérés comme une illustration de l'ampleur de l'effet du prétraitement.

Implications pour la Pologne/l'Europe

Les pailles céréalières polonaises présentent des limitations lignocellulosiques similaires à celles de la paille de riz. Les études asiatiques montrent que le prétraitement alcalin peut améliorer la méthanisation, mais nécessite une adaptation au substrat et à l'infrastructure. Pour les concepteurs d'installations, l'essentiel est de réaliser des tests BMP sur leur propre substrat, avec et sans prétraitement.